Kristallstruktur av is. Vattens egenskaper

Det tredimensionella tillståndet för flytande vatten är svårt att studera, men mycket har lärt sig genom att analysera iskristallernas struktur. Fyra angränsande vätebundna syreatomer upptar hörnen på en tetraeder (tetra = fyra, hedron = plan). Den genomsnittliga energin som krävs för att bryta en sådan bindning i is uppskattas till 23 kJ/mol -1.

Vattenmolekylers förmåga att bilda ett givet antal vätekedjor, liksom den specificerade styrkan, skapar en ovanligt hög smältpunkt. När det smälter hålls det av flytande vatten, vars struktur är oregelbunden. De flesta av vätebindningarna är förvrängda. För att förstöra isens vätebundna kristallgitter krävs en stor mängd energi i form av värme.

Funktioner av isens utseende (Ih)

Många vanliga människor undrar vilken typ av kristallgitter is har. Det bör noteras att densiteten hos de flesta ämnen ökar vid frysning, när molekylära rörelser saktar ner och tätt packade kristaller bildas. Vattnets densitet ökar också när det svalnar till sitt maximum vid 4°C (277K). Sedan, när temperaturen sjunker under detta värde, expanderar den.

Denna ökning beror på bildandet av en öppen vätebunden iskristall med dess gitter och lägre densitet, där varje vattenmolekyl är tätt bunden av ovanstående element och fyra andra värden, och fortfarande rör sig tillräckligt snabbt för att ha mer massa. När denna åtgärd inträffar fryser vätskan uppifrån och ned. Detta har viktiga biologiska konsekvenser, där ett islager på en damm isolerar levande varelser från extrem kyla. Dessutom är två ytterligare egenskaper hos vatten relaterade till dess väteegenskaper: specifik värmekapacitet och förångning.

Detaljerad beskrivning av strukturer

Det första kriteriet är den mängd som krävs för att höja temperaturen på 1 gram av ett ämne med 1°C. Att höja graderna av vatten kräver en relativt stor del av värme eftersom varje molekyl är involverad i många vätebindningar som måste brytas för att den kinetiska energin ska öka. Förresten, överflödet av H 2 O i celler och vävnader hos alla stora flercelliga organismer gör att temperaturfluktuationer inuti cellerna minimeras. Denna funktion är kritisk eftersom de flesta biokemiska reaktioner är hastighetskänsliga.

Också betydligt högre än många andra vätskor. För att omvandla detta fasta ämne till en gas krävs en stor mängd värme eftersom vätebindningarna måste brytas så att vattenmolekylerna kan flytta sig från varandra och gå in i nämnda fas. Variabla kroppar är permanenta dipoler och kan interagera med andra liknande föreningar och de som är joniserade och lösta.

Andra ämnen som anges ovan kan bara komma i kontakt om polaritet finns. Det är denna förening som är involverad i strukturen av dessa element. Dessutom kan den rikta sig runt dessa partiklar som bildas av elektrolyter, så att de negativa syreatomerna i vattenmolekylerna är orienterade mot katjonerna, och de positiva jonerna och väteatomerna är orienterade mot anjonerna.

Som regel bildas molekylära kristallgitter och atomära. Det vill säga, om jod är strukturerat på ett sådant sätt att I 2 finns i det, så finns det i fast koldioxid, det vill säga i torris, CO 2 -molekyler vid noderna i kristallgittret. När is interagerar med sådana ämnen har is ett jonkristallgitter. Grafit, till exempel, som har en atomstruktur baserad på kol, kan inte ändra den, precis som diamant.

Vad händer när en bordssaltkristall löses i vatten: polära molekyler attraheras av de laddade elementen i kristallen, vilket leder till bildandet av liknande partiklar av natrium och klorid på dess yta, som ett resultat av att dessa kroppar förskjuts från varandra, och det börjar lösas upp. Av detta kan vi observera att is har ett kristallgitter med jonbindning. Varje upplöst Na+ attraherar de negativa ändarna av flera vattenmolekyler, medan varje upplöst Cl - attraherar de positiva ändarna. Skalet som omger varje jon kallas en flyktsfär och innehåller vanligtvis flera lager av lösningsmedelspartiklar.

Variablerna eller jonen som omges av element sägs vara sulfaterade. När vatten är lösningsmedlet blir sådana partiklar hydratiserade. Sålunda tenderar vilken polär molekyl som helst att vara solvatisering av element i vätskekroppen. I torris bildar typen av kristallgitter atombindningar i aggregerat tillstånd som är oförändrade. Kristallin is (fruset vatten) är en annan sak. Joniska organiska föreningar såsom karboxylaser och protonerade aminer måste ha löslighet i hydroxyl- och karbonylgrupper. Partiklar som finns i sådana strukturer rör sig mellan molekyler, och deras polära system bildar vätebindningar med denna kropp.

Naturligtvis påverkar antalet av de sistnämnda grupperna i en molekyl dess löslighet, vilket också beror på reaktionen mellan de olika strukturerna i grundämnet: till exempel en-, två- och trekolalkoholer är blandbara i vatten, men större kolväten med enkla hydroxylföreningar är mycket mindre utspädda i vätskor.

Hexagonal Ih liknar till formen det atomära kristallgittret. För is och all naturlig snö på jorden ser det ut exakt så här. Detta bevisas av symmetrin hos iskristallgittret som växt från vattenånga (det vill säga snöflingor). Ligger i rymdgrupp P 63/mm med 194; D 6h, Laue klass 6/mm; liknar β-, som har en multipel av 6 spiralaxel (rotation runt förutom skjuvning längs den). Den har en ganska öppen struktur med låg densitet, där effektiviteten är låg (~1/3) jämfört med enkla kubiska (~1/2) eller ansiktscentrerade kubiska (~3/4) strukturer.

Jämfört med vanlig is är torrisens kristallgitter, bundet av CO 2 -molekyler, statiskt och förändras endast när atomer sönderfaller.

Beskrivning av galler och deras beståndsdelar

Kristaller kan ses som kristallina mönster som består av ark staplade ovanpå varandra. Vätebindning ordnas när det i verkligheten är slumpmässigt, eftersom protoner kan röra sig mellan vatten (is) molekyler vid temperaturer över cirka 5 K. Det är faktiskt troligt att protoner beter sig som en kvantvätska i ett konstant tunnelflöde. Detta förstärks av spridningen av neutroner som visar deras spridningstäthet halvvägs mellan syreatomerna, vilket indikerar lokalisering och koordinerad rörelse. Här observeras likheten mellan is och ett atomärt, molekylärt kristallgitter.

Molekylerna har ett stegvis arrangemang av vätekedjan i förhållande till sina tre grannar i planet. Det fjärde elementet har ett förmörkat vätebindningsarrangemang. Det finns en liten avvikelse från perfekt hexagonal symmetri, så mycket som 0,3% kortare i riktningen för denna kedja. Alla molekyler upplever samma molekylära miljö. Det finns tillräckligt med utrymme inuti varje "låda" för att hålla kvar mellanliggande vattenpartiklar. Även om de inte är allmänt övervägda, har de nyligen effektivt detekterats genom neutrondiffraktion från pulveriserat iskristallgitter.

Ändring av ämnen

Den sexkantiga kroppen har trippelpunkter med flytande och gasformigt vatten 0,01 °C, 612 Pa, fasta element tre -21,985 °C, 209,9 MPa, elva och två -199,8 °C, 70 MPa och -34 ,7 °C, 212,9 MPa . Dielektricitetskonstanten för hexagonal is är 97,5.

Smältkurvan för detta element ges av MPa. Tillståndsekvationer finns tillgängliga, förutom dem några enkla olikheter som relaterar till förändringen i fysikaliska egenskaper med temperaturen på hexagonal is och dess vattensuspensioner. Hårdheten varierar med grader och ökar från ungefär eller under gips (≤2) vid 0°C, till fältspatnivåer (6 vid -80°C, en onormalt stor förändring i absolut hårdhet (>24 gånger).

Det hexagonala kristallgittret av is bildar hexagonala plattor och kolumner, där topp- och bottenytorna är basalplanen (0 0 0 1) med en entalpi på 5,57 μJ cm -2, och de andra ekvivalenta sidoplanen kallas prismadelar (1) 0-10) med 5,94 µJ cm-2. Sekundära ytor (1 1 -2 0) med 6,90 μJ ˣ cm -2 kan formas längs de plan som bildas av strukturernas sidor.

Denna struktur visar en onormal minskning av värmeledningsförmågan med ökande tryck (som kubisk och lågdensitet amorf is), men skiljer sig från de flesta kristaller. Detta beror på en förändring i vätebindningen, vilket minskar ljudets tvärhastighet i kristallgittret av is och vatten.

Det finns metoder som beskriver hur man förbereder stora kristallprover och valfri isyta. Det antas att vätebindningen på ytan av den hexagonala kroppen som studeras kommer att vara mer ordnad än inuti bulksystemet. Fasgitterfrekvensoscillerande variationsspektroskopi har visat att det finns en strukturell asymmetri mellan de två översta skikten (L1 och L2) i HO-kedjan under ytan av den hexagonala isens basyta. Vätebindningarna som antas i de övre skikten av hexagonerna (L1 O ··· HO L2) är starkare än de som antas i det andra lagret till den övre ansamlingen (L1 OH ··· O L2). Interaktiva sexkantiga isstrukturer tillgängliga.

Funktioner av utveckling

Det minsta antalet vattenmolekyler som krävs för iskärnbildning är ungefär 275 ± 25, samma som för ett komplett ikosaedriskt kluster på 280. Bildning sker med en faktor på 10 10 vid gränsytan mellan luft och vatten snarare än i bulkvatten. Tillväxten av iskristaller beror på olika tillväxthastigheter av olika energier. Vatten måste skyddas från frysning under kryokonservering av biologiska prover, livsmedel och organ.

Detta uppnås vanligtvis genom snabba kylningshastigheter, användning av små prover och en kryokonservator och ökat tryck för att kärnbilda is och förhindra cellskador. Den fria energin av is/vätska ökar från ~30 mJ/m2 vid atmosfärstryck till 40 mJ/m2 vid 200 MPa, vilket indikerar orsaken till att denna effekt uppstår.

Alternativt kan de växa snabbare från prismaytor (S2), på slumpmässigt störda ytor av blixtfrusna eller störda sjöar. Tillväxten från ytorna (1 1 -2 0) är åtminstone densamma, men förvandlar dem till baserna i ett prisma. Utvecklingsdata för iskristaller har undersökts fullt ut. Den relativa tillväxthastigheten för element i olika ansikten beror på förmågan att bilda en högre grad av ledhydrering. Den (låga) temperaturen på det omgivande vattnet bestämmer graden av förgrening i iskristallen. Partikeltillväxt begränsas av diffusionshastigheten vid låga grader av underkylning, d.v.s.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Men det begränsas av utvecklingskinetik vid högre nivåer av sänkande grader >4°C, vilket leder till nålliknande tillväxt. Denna form liknar strukturen hos torris (har ett kristallgitter med hexagonal struktur), olika egenskaper för ytutveckling och temperaturen på det omgivande (underkylda) vattnet som ligger bakom de platta formerna av snöflingor.

Bildandet av is i atmosfären påverkar djupt bildandet och egenskaperna hos moln. Fältspat, som finns i ökendamm som kommer in i atmosfären i miljontals ton per år, är viktiga bildande. Datorsimuleringar har visat att detta beror på kärnbildningen av plan av prismatiska iskristaller på ytplan med hög energi.

Några andra element och galler

Lösta ämnen (förutom en mycket liten mängd helium och väte, som kan komma in i mellanrummen) kan inte inkorporeras i Ih-strukturen vid atmosfärstryck, utan tvingas till ytan eller ett amorft lager mellan partiklarna i den mikrokristallina kroppen. På platserna för kristallgittret av torris finns det några andra element: kaotropiska joner, såsom NH 4 + och Cl -, som ingår i frysningen av vätskan lättare än andra kosmotropa, såsom Na + och SO 4 2-, så deras avlägsnande är omöjligt, på grund av att de bildar en tunn film av den kvarvarande vätskan mellan kristallerna. Detta kan leda till elektrisk laddning av ytan på grund av att ytvattnets dissociation balanserar de återstående laddningarna (vilket också kan resultera i magnetisk strålning) och en förändring av pH i de kvarvarande vätskefilmerna, till exempel NH 4 2 SO 4 blir mer sur och NaCl blir mer alkalisk.

De är vinkelräta mot ytorna på iskristallgittret och visar nästa skikt (med O-svarta atomer). De kännetecknas av en långsamt växande basyta (0 0 0 1), där endast isolerade vattenmolekyler är fästa. En snabbt växande (1 0 -1 0) yta av ett prisma, där par av nyligen fästa partiklar kan binda till varandra med väte (en bindning/två molekyler av grundämnet). Det snabbast växande ansiktet är (1 1 -2 0) (sekundär prismatisk), där kedjor av nyligen fästa partiklar kan interagera med varandra genom vätebindning. En av dess kedja/elementmolekyler är en form som bildar åsar som delar sig och uppmuntrar omvandlingen till två sidor av ett prisma.

Nollpunktsentropi

kBˣ Ln ( N

Forskare och deras arbeten inom detta område

Kan definieras som S 0 = kBˣ Ln ( N E0), där k B är Boltzmanns konstant, N E är antalet konfigurationer vid energi E, och E0 är den lägsta energin. Detta värde för entropin för hexagonal is vid noll kelvin bryter inte mot termodynamikens tredje lag, "Entropin för en ideal kristall vid absolut noll är exakt noll", eftersom dessa element och partiklar inte är idealiska och har en oordnad vätebindning.

I denna kropp är vätebindningen slumpmässig och förändras snabbt. Dessa strukturer är inte exakt lika i energi, men sträcker sig till ett mycket stort antal energiskt nära tillstånd och lyder "isens regler." Nollpunktsentropi är den störning som skulle finnas kvar även om materialet kunde kylas till absolut noll (0 K = -273,15 °C). Ger upphov till experimentell förvirring för hexagonal is 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoretiskt skulle det vara möjligt att beräkna nollentropin för kända iskristaller med mycket större noggrannhet (försumma defekter och energinivåspridning) än att bestämma den experimentellt.

Även om ordningen av protoner i bulk is inte är ordnad, föredrar ytan förmodligen ordningen av nämnda partiklar i form av band av dinglande H-atomer och O-ensamma par (noll entropi med ordnade vätebindningar). Oordningen av nollpunkten ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 och andra hittades. Av allt ovanstående är det tydligt och förståeligt vilka typer av kristallgitter som är karakteristiska för is.

O.V. Mosin, I. Ignatov (Bulgarien)

anteckning Vikten av is för att stödja livet på vår planet kan inte underskattas. Is har ett stort inflytande på växters och djurs levnadsvillkor och på olika typer av mänsklig ekonomisk verksamhet. Täckande vatten, is, på grund av sin låga densitet, spelar i naturen rollen som en flytande skärm, skyddar floder och reservoarer från ytterligare frysning och bevarar livet för undervattensinvånare. Användningen av is för olika ändamål (snökvarhållning, konstruktion av iskorsningar och isotermiska lager, isfyllning av lagringsanläggningar och gruvor) är föremål för ett antal delar av hydrometeorologiska och tekniska vetenskaper, såsom isteknik, snöteknik, permafrost ingenjörsverksamhet, samt verksamheten med särskilda isspaningstjänster och isbrytande transport- och snöröjningsutrustning. Naturis används för att lagra och kyla livsmedelsprodukter, biologiska och medicinska preparat, för vilka den är speciellt framställd och beredd, och smältvatten framställt genom smältande av is används inom folkmedicinen för att öka ämnesomsättningen och avlägsna gifter från kroppen. Artikeln introducerar läsaren för nya föga kända egenskaper och modifieringar av is.

Is är en kristallin form av vatten, som enligt de senaste uppgifterna har fjorton strukturella modifieringar. Bland dem finns det kristallina (naturlig is) och amorfa (kubisk is) och metastabila modifieringar, som skiljer sig från varandra i det ömsesidiga arrangemanget och de fysikaliska egenskaperna hos vattenmolekyler sammankopplade med vätebindningar som bildar isens kristallgitter. Alla, förutom den välbekanta naturisen I h, som kristalliseras i ett hexagonalt gitter, bildas under exotiska förhållanden - vid mycket låga temperaturer av torris och flytande kväve och höga tryck i tusentals atmosfärer, när vinklarna på väte binder i vattenmolekylen förändras och kristallina system bildas som skiljer sig från hexagonala. Sådana förhållanden liknar de i rymden och förekommer inte på jorden.

I naturen representeras is huvudsakligen av en kristallin sort, kristalliserad i ett hexagonalt gitter, som påminner om diamantstrukturen, där varje vattenmolekyl är omgiven av de fyra närmaste molekylerna, belägna på lika avstånd från den, lika med 2,76 ångström och placerad. vid hörn av en vanlig tetraeder. På grund av det låga koordinationstalet är isens struktur retikulär, vilket påverkar dess låga densitet och uppgår till 0,931 g/cm 3 .

Den mest ovanliga egenskapen hos is är dess fantastiska variation av yttre manifestationer. Med samma kristallina struktur kan den se helt annorlunda ut, ta formen av genomskinliga hagelstenar och istappar, flingor av fluffig snö, en tät glänsande isskorpa eller gigantiska glaciärmassor. Is förekommer i naturen i form av kontinental, flytande och underjordisk is, samt snö och frost. Den är utbredd i alla områden av mänsklig bosättning. När de samlas in i stora mängder bildar snö och is speciella strukturer med egenskaper som är fundamentalt annorlunda än enskilda kristaller eller snöflingor. Naturis bildas huvudsakligen av is av sedimentärt-metamorft ursprung, bildad från fast atmosfärisk nederbörd som ett resultat av efterföljande kompaktering och omkristallisation. Ett karakteristiskt kännetecken för naturis är kornighet och bandning. Kornigheten beror på omkristallisationsprocesser; Varje iskorn är en oregelbundet formad kristall, tätt intill andra kristaller i ismassan på ett sådant sätt att en kristalls utsprång passar tätt in i en annans fördjupningar. Denna typ av is kallas polykristallin. I den är varje iskristall ett lager av de tunnaste bladen som överlappar varandra i basplanet vinkelrätt mot riktningen för kristallens optiska axel.

De totala isreserverna på jorden uppskattas till cirka 30 miljoner. km 3(Bord 1). Den mesta isen är koncentrerad till Antarktis, där dess lagertjocklek når 4 km. Det finns också bevis på närvaron av is på solsystemets planeter och i kometer. Is är så viktig för klimatet på vår planet och livsmiljön för levande varelser på den att forskare har utsett en speciell miljö för is - kryosfären, vars gränser sträcker sig högt upp i atmosfären och djupt in i jordskorpan.

Tabell 1. Mängd, distribution och livslängd för is.

Iskristaller är unika i sin form och proportioner. Varje växande naturlig kristall, inklusive en iskristall, strävar alltid efter att skapa ett idealiskt regelbundet kristallgitter, eftersom detta är fördelaktigt ur synvinkeln av ett minimum av dess inre energi. Eventuella föroreningar, som bekant, förvränger formen på kristallen, därför, när vatten kristalliserar, byggs vattenmolekyler först in i gittret och främmande atomer och föroreningsmolekyler tvingas ut i vätskan. Och först när föroreningarna inte har någonstans att ta vägen, börjar iskristallen att integrera dem i sin struktur eller lämnar dem i form av ihåliga kapslar med en koncentrerad icke-frysande vätska - saltlake. Därför är havsisen färsk och även de smutsigaste vattenmassorna är täckta med genomskinlig och ren is. När is smälter tränger den undan föroreningar i saltlaken. På planetarisk skala spelar fenomenet frysning och upptining av vatten, tillsammans med avdunstning och kondensering av vatten, rollen som en gigantisk reningsprocess där vattnet på jorden ständigt renar sig självt.

Tabell 2. Några fysiska egenskaper hos is I.

Fast egendom	Menande	Notera
Värmekapacitet, kal/(g °C) Smältvärme, kal/g Förångningsvärme, kal/g		Minskar kraftigt med sjunkande temperatur
Termisk expansionskoefficient, 1/°C	9,1 10 -5 (0 °C)	Polykristallin is
Värmeledningsförmåga, kal/(cm sek °C)		Polykristallin is
Brytningsindex:		Polykristallin is
Specifik elektrisk konduktivitet, ohm -1 cm -1		Skenbar aktiveringsenergi 11 kcal/mol
Ytans elektriska ledningsförmåga, ohm -1		Skenbar aktiveringsenergi 32 kcal/mol
Youngs elasticitetsmodul, dyn/cm2	9 10 10 (-5 °C)	Polykristallin is
Motstånd, MN/m 2: förkrossande		Polykristallin is Polykristallin is Polykristallin is
Dynamisk viskositet, balans		Polykristallin is
Aktiveringsenergi vid deformation och mekanisk avslappning, kcal/mol		Ökar linjärt med 0,0361 kcal/(mol °C) från 0 till 273,16 K

1 kal/(g°C)=4,186 kJ/(kg K); 1 ohm -1 cm-1 = 100 sim/m; 1 dyn = 10-5 N ; IN = 1 kg m/s^; 1 dyn/cm=10-7 N/m; 1 kal/(cm·sek°C)=418,68 W/(m·K); 1 poise = g/cm s = 10-1 N sek/m2.

På grund av den breda utbredningen av is på jorden spelar skillnaden i isens fysiska egenskaper (tabell 2) från egenskaperna hos andra ämnen en viktig roll i många naturliga processer. Is har många andra livsuppehållande egenskaper och anomalier - anomalier i densitet, tryck, volym, värmeledningsförmåga. Om det inte fanns några vätebindningar som håller ihop vattenmolekyler till en kristall, skulle isen smälta vid –90 °C. Men detta händer inte på grund av närvaron av vätebindningar mellan vattenmolekyler. På grund av dess lägre densitet än vatten, bildar is ett flytande täcke på vattenytan, vilket skyddar floder och reservoarer från frysning av botten, eftersom dess värmeledningsförmåga är mycket lägre än vattens. I detta fall observeras den lägsta densiteten och volymen vid +3,98 °C (Fig. 1). Ytterligare kylning av vatten till 0 0 C leder gradvis inte till en minskning, utan till en ökning av dess volym med nästan 10 %, när vattnet förvandlas till is. Detta beteende hos vatten indikerar den samtidiga existensen av två jämviktsfaser i vatten - flytande och kvasikristallina, i analogi med kvasikristaller, vars kristallgitter inte bara har en periodisk struktur utan också har symmetriaxlar av olika ordning, vars existens tidigare stred mot kristallografernas idéer. Denna teori, som först lades fram av den berömde ryske teoretiske fysikern Ya. I. Frenkel, är baserad på antagandet att några av vätskemolekylerna bildar en kvasikristallin struktur, medan de återstående molekylerna är gasliknande, fritt rörliga genom hela volymen. Fördelningen av molekyler i en liten närhet av vilken fast vattenmolekyl som helst har en viss ordning, som påminner något om kristallin, fastän mer lös. Av denna anledning kallas vattnets struktur ibland för kvasikristallin eller kristalllik, d.v.s. har symmetri och ordning i det relativa arrangemanget av atomer eller molekyler.

Ris. 1. Beroende av den specifika volymen is och vatten på temperaturen

En annan egenskap är att isflödets hastighet är direkt proportionell mot aktiveringsenergin och omvänt proportionell mot den absoluta temperaturen, så att isen med sjunkande temperatur närmar sig en absolut fast kropp i sina egenskaper. I genomsnitt, vid temperaturer nära smältning, är isens flytbarhet 10 6 gånger högre än för stenar. På grund av dess flytande ackumuleras inte is på ett ställe, utan rör sig hela tiden i form av glaciärer. Förhållandet mellan flödeshastighet och spänning för polykristallin is är hyperboliskt; när den ungefär beskrivs av en effektekvation, ökar exponenten när spänningen ökar.

Synligt ljus absorberas praktiskt taget inte av is, eftersom ljusstrålar passerar genom iskristallen, men det blockerar ultraviolett strålning och det mesta av den infraröda strålningen från solen. I dessa områden av spektrumet verkar isen helt svart, eftersom absorptionskoefficienten för ljus i dessa områden av spektrumet är mycket hög. Till skillnad från iskristaller absorberas inte vitt ljus som faller på snö, utan bryts många gånger i iskristaller och reflekteras från deras ansikten. Det är därför snön ser vit ut.

På grund av den mycket höga reflektionsförmågan hos is (0,45) och snö (upp till 0,95), är det område som täcks av dem i genomsnitt cirka 72 miljoner km per år. km 2 på de höga och mellersta breddgraderna på båda halvkloten - den tar emot solvärme 65 % mindre än normalt och är en kraftfull källa för att kyla jordens yta, vilket till stor del bestämmer den moderna latitudinella klimatzoneringen. På sommaren, i polarområdena, är solstrålningen större än i ekvatorialzonen, men temperaturen förblir låg, eftersom en betydande del av den absorberade värmen spenderas på smältande is, som har en mycket hög smältvärme.

Andra ovanliga egenskaper hos is inkluderar genereringen av elektromagnetisk strålning genom dess växande kristaller. Det är känt att de flesta lösta föroreningar i vatten inte överförs till isen när den börjar växa; de är utfrysta. Därför är isfilmen ren och genomskinlig även på den smutsigaste pölen. I detta fall ackumuleras föroreningar vid gränsen mellan fasta och flytande medier, i form av två lager av elektriska laddningar av olika tecken, vilket orsakar en betydande skillnad i potentialer. Det laddade lagret av föroreningar rör sig längs med den nedre gränsen av den unga isen och avger elektromagnetiska vågor. Tack vare detta kan kristalliseringsprocessen observeras i detalj. En kristall som växer i längd i form av en nål avger alltså annorlunda än en täckt med laterala processer, och strålningen från växande korn skiljer sig från vad som uppstår när kristaller spricker. Genom strålpulsernas form, sekvens, frekvens och amplitud kan man bestämma med vilken hastighet isen fryser och vilken typ av isstruktur som bildas.

Men det mest fantastiska med isens struktur är att vattenmolekyler vid låga temperaturer och höga tryck inuti kolnanorör kan kristallisera till en dubbelspiralform, som påminner om DNA-molekyler. Detta bevisades av nya datorexperiment av amerikanska vetenskapsmän ledda av Xiao Cheng Zeng från University of Nebraska (USA). För att vatten skulle bilda en spiral i ett simulerat experiment placerades det i nanorör med en diameter på 1,35 till 1,90 nm under högt tryck, varierande från 10 till 40 000 atmosfärer och en temperatur på –23 °C. Man förväntade sig att vattnet i samtliga fall bildar en tunn rörformig struktur. Modellen visade dock att med en nanorörsdiameter på 1,35 nm och ett yttre tryck på 40 000 atmosfärer böjdes vätebindningarna i isstrukturen, vilket ledde till bildandet av en spiral med dubbelvägg - inre och yttre. Under dessa förhållanden visade sig den inre väggen vara vriden till en fyrdubbel helix, och den yttre väggen bestod av fyra dubbla helixar, liknande en DNA-molekyl (Fig. 2). Detta faktum kan fungera som en bekräftelse på sambandet mellan strukturen hos den vitala DNA-molekylen och själva vattnets struktur och att vattnet fungerade som en matris för syntesen av DNA-molekyler.

Ris. 2. En datormodell av strukturen av fruset vatten i nanorör, som påminner om en DNA-molekyl (Foto från tidningen New Scientist, 2006)

En annan av de viktigaste egenskaperna hos vatten som upptäckts nyligen är att vatten har förmågan att komma ihåg information om tidigare influenser. Detta bevisades först av den japanska forskaren Masaru Emoto och vår landsman Stanislav Zenin, som var en av de första som föreslog en klusterteori om vattnets struktur, bestående av cykliska associerade till en volymetrisk polyedrisk struktur - kluster med den allmänna formeln (H) 2 O) n, där n, enligt de senaste uppgifterna, kan nå hundratals och till och med tusen enheter. Det är tack vare förekomsten av kluster i vattnet som vatten har informationsegenskaper. Forskare fotograferade processerna för att frysa vatten till ismikrokristaller och påverkade det med olika elektromagnetiska och akustiska fält, melodier, bön, ord eller tankar. Det visade sig att isen frös till symmetriska hexagonala kristaller under påverkan av positiv information i form av vackra melodier och ord. Där oregelbunden musik och arga och stötande ord ljöd frös vattnet tvärtom till kaotiska och formlösa kristaller. Detta är ett bevis på att vatten har en speciell struktur som är känslig för yttre informationspåverkan. Förmodligen har den mänskliga hjärnan, som består av 85-90% vatten, en stark strukturerande effekt på vatten.

Emotokristaller väcker både intresse och otillräckligt underbyggd kritik. Om du tittar noga på dem kan du se att deras struktur består av sex toppar. Men en ännu noggrannare analys visar att snöflingor på vintern har samma struktur, alltid symmetriska och med sex toppar. I vilken utsträckning innehåller kristalliserade strukturer information om miljön där de skapades? Strukturen av snöflingor kan vara vacker eller formlös. Detta indikerar att kontrollprovet (molnet i atmosfären) där de kommer från har samma inverkan på dem som de ursprungliga förhållandena. De initiala förhållandena är solaktivitet, temperatur, geofysiska fält, luftfuktighet etc. Allt detta innebär att från den sk. genomsnittlig ensemble kan vi dra slutsatsen att strukturen av vattendroppar och sedan snöflingor är ungefär densamma. Deras massa är nästan densamma och de rör sig genom atmosfären med liknande hastigheter. I atmosfären fortsätter de att bilda sina strukturer och öka i volym. Även om de bildades i olika delar av molnet, finns det i en grupp alltid ett visst antal snöflingor som uppstod under nästan samma förhållanden. Och svaret på frågan om vad som utgör positiv och negativ information om snöflingor finns i Emoto. I laboratorieförhållanden bildar negativ information (jordbävning, ljudvibrationer ogynnsamma för människor, etc.) inte kristaller, utan positiv information, tvärtom. Det är mycket intressant i vilken utsträckning en faktor kan forma samma eller liknande strukturer av snöflingor. Den högsta densiteten av vatten observeras vid en temperatur på 4 °C. Det är vetenskapligt bevisat att vattnets densitet minskar när sexkantiga iskristaller börjar bildas när temperaturen sjunker under noll. Detta är resultatet av vätebindningar mellan vattenmolekyler.

Vad är anledningen till denna strukturering? Kristaller är fasta ämnen och deras ingående atomer, molekyler eller joner är ordnade i ett regelbundet, upprepande mönster i tre rumsliga dimensioner. Strukturen av vattenkristaller är något annorlunda. Enligt Isaac är endast 10 % av vätebindningarna i is kovalenta, d.v.s. med ganska stabil information. Vätebindningar mellan syre i en vattenmolekyl och väte i en annan är mest känsliga för yttre påverkan. Spektrum av vatten när man bygger kristaller är relativt olika över tiden. Enligt effekten av diskret avdunstning av en vattendroppe bevisad av Antonov och Yuskeseliev och dess beroende av energitillstånden för vätebindningar, kan vi leta efter ett svar om strukturen av kristaller. Varje del av spektrumet beror på vattendropparnas ytspänning. Det finns sex toppar i spektrumet, som indikerar snöflingans grenar.

Det är tydligt att i Emotos experiment påverkar det initiala "kontroll"-provet utseendet på kristallerna. Detta innebär att efter exponering för en viss faktor kan bildandet av liknande kristaller förväntas. Det är nästan omöjligt att få identiska kristaller. När man testar effekten av ordet "kärlek" på vatten, visar Emoto inte tydligt om experimentet utfördes med olika prover.

Dubbelblinda experiment behövs för att testa om Emoto-tekniken är tillräckligt differentierad. Isaacs bevis på att 10 % av vattenmolekylerna bildar kovalenta bindningar efter frysning visar oss att vatten använder denna information när det fryser. Emotos prestation, även utan dubbelblinda experiment, är fortfarande ganska viktig när det gäller vattens informationsegenskaper.

Natural Snowflake, Wilson Bentley, 1925

Emoto snöflinga erhållen från naturligt vatten

En snöflinga är naturlig och den andra är skapad av Emoto, vilket indikerar att mångfalden i vattenspektrat inte är obegränsad.

Jordbävning, Sofia, 4,0 Richter, 15 november 2008,
Dr. Ignatov, 2008©, Prof. Antonovs enhet©

Denna siffra anger skillnaden mellan kontrollprovet och de som tagits på andra dagar. Vattenmolekyler bryter de mest energiska vätebindningarna i vatten, samt två toppar i spektrumet under ett naturfenomen. Studien utfördes med en Antonov-enhet. Det biofysiska resultatet visar en minskning av kroppens vitalton under en jordbävning. Under en jordbävning kan vatten inte ändra sin struktur i snöflingorna i Emotos laboratorium. Det finns bevis på förändringar i vattnets elektriska ledningsförmåga under en jordbävning.

1963 märkte den tanzaniske skolpojken Erasto Mpemba att varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten. Detta fenomen kallas Mpemba-effekten. Även om vattnets unika egenskap uppmärksammades mycket tidigare av Aristoteles, Francis Bacon och Rene Descartes. Fenomenet har bevisats många gånger om genom ett antal oberoende experiment. Vatten har en annan märklig egenskap. Enligt min åsikt är förklaringen till detta följande: det differentiella icke-jämviktsenergispektrumet (DNES) för kokt vatten har en lägre genomsnittlig energi av vätebindningar mellan vattenmolekyler än för ett prov taget vid rumstemperatur.Detta betyder att kokt vatten behöver mindre energi för att börja strukturera kristaller och frysa.

Nyckeln till isens struktur och dess egenskaper ligger i dess kristallstruktur. Kristaller av alla modifieringar av is är byggda av H 2 O-vattenmolekyler sammankopplade med vätebindningar till tredimensionella nätstrukturer med ett specifikt arrangemang av vätebindningar. En vattenmolekyl kan helt enkelt föreställas som en tetraeder (en pyramid med en triangulär bas). I dess centrum finns en syreatom, som är i ett tillstånd av sp 3-hybridisering, och i två hörn finns det en väteatom, vars en av elektronerna 1s är involverad i bildandet av en kovalent H-O-bindning med syre. De två återstående hörnen upptas av par av oparade syreelektroner, som inte deltar i bildandet av intramolekylära bindningar, så de kallas ensamma. Den rumsliga formen av H 2 O-molekylen förklaras av den ömsesidiga repulsionen av väteatomer och ensamma elektronpar i den centrala syreatomen.

Vätebindning är viktig i kemin av intermolekylära interaktioner och orsakas av svaga elektrostatiska krafter och donator-acceptor-interaktioner. Det uppstår när den elektronbristiga väteatomen i en vattenmolekyl interagerar med det ensamma elektronparet i syreatomen i en närliggande vattenmolekyl (O-H...O). En utmärkande egenskap hos vätebindningen är dess relativt låga styrka; den är 5-10 gånger svagare än en kemisk kovalent bindning. När det gäller energi upptar en vätebindning en mellanposition mellan en kemisk bindning och van der Waals-interaktioner som håller molekyler i en fast eller flytande fas. Varje vattenmolekyl i en iskristall kan samtidigt bilda fyra vätebindningar med andra angränsande molekyler vid strikt definierade vinklar lika med 109°47", riktade mot tetraederns hörn, vilket inte tillåter skapandet av en tät struktur när vatten fryser ( Fig. 3). I isstrukturerna I, Ic, VII och VIII är denna tetraeder regelbunden. I isstrukturerna II, III, V och VI är tetraedrarna märkbart förvrängda. I isstrukturerna VI, VII och VIII, två korsande system Detta osynliga ramverk av vätebindningar arrangerar vattenmolekyler i form av ett nät, vars struktur liknar en hexagonal bikaka med ihåliga inre kanaler.Om isen värms upp förstörs nätstrukturen: vattenmolekyler börjar falla in i maskens tomrum, vilket leder till en tätare flytande struktur - detta förklarar varför vatten är tyngre än is.

Ris. 3. Bildning av en vätebindning mellan fyra H2O-molekyler (röda bollar representerar centrala syreatomer, vita bollar representerar väteatomer)

Specificiteten hos vätebindningar och intermolekylära interaktioner som är karakteristiska för isstrukturen bevaras i smältvatten, eftersom när en iskristall smälter förstörs endast 15 % av alla vätebindningar. Därför bryts inte kopplingen mellan varje vattenmolekyl och fyra angränsande molekyler som är inneboende i is ("kortdistansordning"), även om en större suddighet av syreramverkets gitter observeras. Vätebindningar kan också bibehållas när vatten kokar. Endast i vattenånga finns inga vätebindningar.

Is, som bildas vid atmosfärstryck och smälter vid 0 °C, är den vanligaste, men fortfarande inte helt förstådda substansen. Mycket i sin struktur och egenskaper ser ovanligt ut. På platserna för iskristallgittret är syreatomerna i tetraedrarna i vattenmolekyler ordnade på ett ordnat sätt och bildar regelbundna hexagoner, som en hexagonal bikaka, och väteatomerna upptar en mängd olika positioner på vätebindningarna som förbinder syreatomer (fig. 4). Därför är sex ekvivalenta orienteringar av vattenmolekyler i förhållande till sina grannar möjliga. Vissa av dem är uteslutna, eftersom närvaron av två protoner samtidigt på samma vätebindning är osannolik, men det finns fortfarande tillräcklig osäkerhet i orienteringen av vattenmolekyler. Detta beteende hos atomer är atypiskt, eftersom alla atomer i ett fast ämne lyder samma lag: antingen är atomerna ordnade på ett ordnat sätt, och sedan är det en kristall, eller slumpmässigt, och då är det en amorf substans. En sådan ovanlig struktur kan realiseras i de flesta modifieringar av is - Ih, III, V, VI och VII (och uppenbarligen i Ic) (tabell 3), och i strukturen av is II, VIII och IX är vattenmolekylerna orienterande ordnade . Enligt J. Bernal är is kristallin i förhållande till syreatomer och glasartad i förhållande till väteatomer.

Ris. 4. Isstruktur av naturlig hexagonal konfiguration I h

Under andra förhållanden, till exempel i rymden vid höga tryck och låga temperaturer, kristalliserar isen annorlunda och bildar andra kristallgitter och modifieringar (kubiska, trigonala, tetragonala, monokliniska, etc.), som var och en har sin egen struktur och kristallgitter (tabell). 3). Isstrukturerna av olika modifikationer beräknades av ryska forskare Dr. G.G. Malenkov och doktor i fysik och matematik. E.A. Zheligovskaya från Institutet för fysikalisk kemi och elektrokemi uppkallad efter. EN. Frumkin från Ryska vetenskapsakademin. Isar av II, III och V modifieringar bevaras under lång tid vid atmosfärstryck om temperaturen inte överstiger -170 °C (Fig. 5). När den kyls till cirka -150 °C förvandlas naturlig is till kubisk is Ic, bestående av kuber och oktaedrar som är flera nanometer stora. Is I c uppstår ibland när vatten fryser i kapillärer, vilket uppenbarligen underlättas av vattnets växelverkan med väggmaterialet och upprepningen av dess struktur. Om temperaturen är något högre än -110 °C bildas kristaller av tätare och tyngre glasartad amorf is med en densitet av 0,93 g/cm3 på metallsubstratet. Båda dessa former av is kan spontant förvandlas till sexkantig is, och ju snabbare desto högre temperatur.

Tabell 3. Vissa modifieringar av is och deras fysiska parametrar.

Notera. 1 Å = 10-10 m

Ris. 5. Diagram över tillståndet för kristallina isar av olika modifieringar.

Det finns också högtrycksisar - II och III trigonala och tetragonala modifikationer, bildade av ihåliga bikakor bildade av hexagonala korrugerade element, förskjutna i förhållande till varandra med en tredjedel (fig. 6 och fig. 7). Dessa isar stabiliseras i närvaro av ädelgaserna helium och argon. I strukturen av is V monoklinisk modifiering sträcker sig vinklarna mellan närliggande syreatomer från 86 0 till 132 °, vilket skiljer sig mycket från bindningsvinkeln i en vattenmolekyl, som är 105 ° 47 '. Ice VI av den tetragonala modifieringen består av två ramar införda i varandra, mellan vilka det inte finns några vätebindningar, vilket resulterar i bildandet av ett kroppscentrerat kristallgitter (fig. 8). Strukturen av is VI är baserad på hexamerer - block av sex vattenmolekyler. Deras konfiguration upprepar exakt strukturen av ett stabilt kluster av vatten, vilket ges av beräkningar. Is VII och VIII av den kubiska modifieringen, som är lågtemperaturordnade former av is VII, har en liknande struktur med ramar av is I införda i varandra. Med en efterföljande ökning av trycket kommer avståndet mellan syreatomerna i kristallgittret i isarna VII och VIII att minska, som ett resultat av isstrukturen X bildas, syreatomerna i vilka är ordnade i ett regelbundet gitter, och protoner är ordnade.

Ris. 7. Ice III-konfiguration.

Is XI bildas genom djupkylning av is I h med tillsats av alkali under 72 K vid normalt tryck. Under dessa förhållanden bildas hydroxylkristalldefekter, vilket gör att den växande iskristallen kan ändra sin struktur. Ice XI har ett ortorombiskt kristallgitter med ett ordnat arrangemang av protoner och bildas samtidigt i många kristallisationscentra nära kristallens hydroxyldefekter.

Ris. 8. Ice VI-konfiguration.

Bland isarna finns också metastabila former IV och XII, vilkas livstid är sekunder, och har den vackraste strukturen (fig. 9 och fig. 10). För att erhålla metastabil is är det nödvändigt att komprimera is I h till ett tryck av 1,8 GPa vid flytande kvävetemperatur. Dessa isar bildas mycket lättare och är särskilt stabila om underkylt tungt vatten utsätts för tryck. En annan metastabil modifiering, is IX, bildas när is III är underkyld och representerar i huvudsak dess lågtemperaturform.

Ris. 9. Ice IV-konfiguration.

Ris. 10. Ice XII-konfiguration.

De två sista modifieringarna av is - med en monoklinisk XIII och en ortorombisk konfiguration XIV - upptäcktes av forskare från Oxford (UK) ganska nyligen - 2006. Antagandet att det skulle finnas iskristaller med monoklina och ortorhombiska gitter var svårt att bekräfta: viskositeten för vatten vid en temperatur på -160 ° C är mycket hög, och det är svårt för molekyler av rent underkylt vatten att komma samman i sådana mängder att bilda en kristallkärna. Detta uppnåddes med hjälp av en katalysator - saltsyra, som ökade rörligheten för vattenmolekyler vid låga temperaturer. Sådana modifieringar av is kan inte bildas på jorden, men de kan existera i rymden på kylda planeter och frusna satelliter och kometer. Således tillåter beräkningar av densiteten och värmeflödena från ytan av satelliterna Jupiter och Saturnus oss att konstatera att Ganymedes och Callisto måste ha ett iskallt skal där isarna I, III, V och VI alternerar. På Titan bildar isarna inte en skorpa, utan en mantel, vars inre skikt består av is VI, andra högtrycksisar och klatrathydrater och is I h ligger på toppen.

Ris. elva. Mångfald och form av snöflingor i naturen

Högt uppe i jordens atmosfär vid låga temperaturer kristalliseras vatten från tetraedrar och bildar sexkantig is Ih. Centrum för bildandet av iskristaller är fasta dammpartiklar, som lyfts upp i atmosfärens övre skikt av vinden. Runt denna embryonala mikrokristall av is växer nålar bildade av individuella vattenmolekyler i sex symmetriska riktningar, på vilka laterala processer - dendriter - växer. Temperaturen och luftfuktigheten i luften runt snöflingan är densamma, så den är initialt symmetrisk till formen. När snöflingor bildas faller de gradvis ner i atmosfärens lägre lager, där temperaturen är högre. Här uppstår smältning och deras ideala geometriska form förvrängs och bildar en mängd olika snöflingor (fig. 11).

Med ytterligare smältning förstörs isens hexagonala struktur och en blandning av cykliska associationer av kluster, såväl som tri-, tetra-, penta-, hexamerer av vatten (Fig. 12) och fria vattenmolekyler bildas. Att studera strukturen hos de resulterande klustren är ofta avsevärt svårt, eftersom vatten, enligt moderna data, är en blandning av olika neutrala kluster (H 2 O) n och deras laddade klusterjoner [H 2 O] + n och [H 2 O ] - n, som är i dynamisk jämvikt mellan sig med en livslängd på 10 -11 -10 -12 sekunder.

Ris. 12. Möjliga vattenkluster (a-h) med sammansättning (H 2 O) n, där n = 5-20.

Kluster kan interagera med varandra genom utåt utskjutande vätebindningsytor och bildar mer komplexa polyedriska strukturer som hexaeder, oktaeder, ikosaeder och dodekaeder. Sålunda är vattnets struktur associerad med de så kallade platoniska fasta ämnena (tetraeder, hexahedron, oktaeder, icosahedron och dodecahedron), uppkallad efter den antika grekiske filosofen och geometern Platon som upptäckte dem, vars form bestäms av det gyllene snittet (Fig. 13).

Ris. 13. Platoniska fasta ämnen, vars geometriska form bestäms av det gyllene snittet.

Antalet hörn (B), ytor (G) och kanter (P) i varje rumslig polyeder beskrivs av relationen:

B + G = P + 2

Förhållandet mellan antalet hörn (B) av en vanlig polyeder och antalet kanter (P) på en av dess ytor är lika med förhållandet mellan antalet ytor (G) på samma polyeder och antalet kanter ( P) som kommer från en av dess hörn. För en tetraeder är detta förhållande 4:3, för en hexaeder (6 ytor) och oktaeder (8 ytor) är det 2:1, och för en dodekaeder (12 ytor) och ikosaeder (20 ytor) är det 4:1.

Strukturerna för polyedriska vattenkluster, beräknade av ryska forskare, bekräftades med moderna analytiska metoder: protonmagnetisk resonansspektroskopi, femtosekundlaserspektroskopi, röntgen- och neutrondiffraktion på vattenkristaller. Upptäckten av vattenkluster och vattnets förmåga att lagra information är två av de viktigaste upptäckterna under det 21:a millenniet. Detta bevisar tydligt att naturen kännetecknas av symmetri i form av exakta geometriska former och proportioner, karakteristiska för iskristaller.

LITTERATUR.

1. Belyanin V., Romanova E. Livet, vattenmolekylen och den gyllene proportionen // Science and Life, 2004, volym 10, nr 3, sid. 23-34.

2. Shumsky P.A., Fundamentals of structural ice science. - Moskva, 1955b sid. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Medvetenhet om vatten som en substans i livet. // Medvetande och fysisk verklighet. 2011, T 16, nr 12, sid. 9-22.

4. Petryanov I.V. Det mest extraordinära ämnet i världen. Moscow, Pedagogy, 1981, sid. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. Vattens struktur och egenskaper. - Leningrad, Gidrometeoizdat, 1975, sid. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Bekant och mystiskt vatten. – Kiev, Rodyanbsk-skolan, 1982, sid. 62-64.

7. Zatsepina G. N. Vattens struktur och egenskaper. – Moskva, red. Moscow State University, 1974, sid. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Fundamentals of water physics - Kiev, Naukova Dumka, 1991, sid. 167.

9. Simonite T. DNA-liknande is "sett" inuti kolnanorör // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Meddelanden om vatten. Hemliga koder för iskristaller. - Sofia, 2006. sid. 96.

11. Zenin S.V., Tyaglov B.V. Naturen av hydrofob interaktion. Uppkomsten av orienteringsfält i vattenlösningar // Journal of Physical Chemistry, 1994, T. 68, nr 3, sid. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Hydrogen bonding - Moscow, Nauka, 1964, sid. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Struktur av vatten och joniska lösningar // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1934, T. 14, nr 5, sid. 587-644.

14. Khobza P., Zahradnik R. Intermolekylära komplex: Van der Waals-systemens roll i fysikalisk kemi och biodiscipliner. – Moscow, Mir, 1989, sid. 34-36.

15. Pounder E. R. Physics of Ice, övers. från engelska - Moskva, 1967, sid. 89.

16. Komarov S. M. Ismönster av högtryck. // Chemistry and Life, 2007, nr 2, s. 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya, G. G. Malenkov. Kristallina isar // Uspekhi khimii, 2006, nr 75, sid. 64.

18. Fletcher N. H. Isens kemiska fysik, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A.V. Diversity of clusters // Russian Chemical Journal, 1996, T. 40, nr 2, sid. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. Vattenstrukturen och den fysiska verkligheten. // Medvetande och fysisk verklighet, 2011, T. 16, nr 9, sid. 16-32.

21. Ignatov I. Bioenergetisk medicin. Uppkomsten av levande materia, minne av vatten, bioresonans, biofysiska fält. - GayaLibris, Sofia, 2006, sid. 93.

Anpassad sökning

Vattenstruktur

Ph.D. O.V. Mosin

En vattenmolekyl är en liten dipol som innehåller positiva och negativa laddningar vid sina poler. Eftersom syrekärnans massa och laddning är större än vätekärnornas, dras elektronmolnet mot syrekärnan. I detta fall exponeras vätekärnorna. Således har elektronmolnet en ojämn densitet. Det finns en brist på elektrontäthet nära vätekärnorna, och på motsatt sida av molekylen, nära syrekärnan, finns det ett överskott av elektrontäthet. Det är denna struktur som bestämmer vattenmolekylens polaritet. Om du kopplar samman positiva och negativa laddningars epicentra med raka linjer får du en tredimensionell geometrisk figur - en vanlig tetraeder.

Strukturen av en vattenmolekyl (bilden till höger)

På grund av närvaron av vätebindningar bildar varje vattenmolekyl en vätebindning med 4 angränsande molekyler, som bildar en genombruten nätram i ismolekylen. Men i flytande tillstånd är vatten en oordnad vätska; Dessa vätebindningar är spontana, kortlivade, bryts snabbt och bildas igen. Allt detta leder till heterogenitet i vattnets struktur.

Vätebindningar mellan vattenmolekyler (bilden nedan till vänster)

Det faktum att vatten har en heterogen sammansättning har fastställts för länge sedan. Det har länge varit känt att is flyter på vattenytan, det vill säga densiteten hos kristallin is är mindre än vätskans densitet.

För nästan alla andra ämnen är kristallen tätare än vätskefasen. Dessutom, även efter smältning, med ökande temperatur, fortsätter vattnets densitet att öka och når ett maximum vid 4C. Mindre känd är anomalien med vattenkompressibilitet: när den värms upp från smältpunkten till 40C minskar den och ökar sedan. Vattnets värmekapacitet beror också icke-monotont på temperaturen.

Dessutom, vid temperaturer under 30C, med en ökning av trycket från atmosfäriskt till 0,2 GPa, minskar vattnets viskositet och självdiffusionskoefficienten, en parameter som bestämmer rörelsehastigheten för vattenmolekyler i förhållande till varandra, ökar.

För andra vätskor är förhållandet det motsatta, och nästan ingenstans händer det att någon viktig parameter beter sig icke-monotont, d.v.s. först ökade, och efter att ha passerat ett kritiskt värde för temperatur eller tryck minskade. Ett antagande uppstod att vatten i själva verket inte är en enda vätska, utan en blandning av två komponenter som skiljer sig åt i egenskaper, till exempel densitet och viskositet, och därför struktur. Sådana idéer började uppstå i slutet av 1800-talet, när mycket data om vattenanomalier samlades.

Whiting var den första som föreslog idén att vatten består av två komponenter 1884. Hans författarskap citeras av E.F. Fritsman i monografin "The Nature of Water. Heavy Water", publicerad 1935. 1891 introducerade V. Rengten begreppet två vattentillstånd, som skiljer sig åt i densitet. Efter det dök många verk upp där vatten betraktades som en blandning av associerade med olika sammansättningar (hydroler).

När isens struktur bestämdes på 1920-talet visade det sig att vattenmolekyler i kristallint tillstånd bildar ett tredimensionellt kontinuerligt nätverk där varje molekyl har fyra närmaste grannar som är placerade vid hörn av en vanlig tetraeder. År 1933 föreslog J. Bernal och P. Fowler att ett liknande nätverk existerar i flytande vatten. Eftersom vatten är tätare än is, trodde de att molekylerna i det är ordnade inte som i is, det vill säga som kiselatomer i mineralet tridymit, utan som kiselatomer i en tätare modifiering av kiseldioxid, kvarts. Ökningen av vattentätheten vid uppvärmning från 0 till 4C förklarades av närvaron av tridymitkomponenten vid låga temperaturer. Således behöll Bernal Fowlers modell elementet av tvåstruktur, men deras huvudsakliga prestation var idén om ett kontinuerligt tetraedriskt nätverk. Sedan dök den berömda aforismen av I. Langmuir upp: "Havet är en enda stor molekyl." Överdriven specifikation av modellen ökade inte antalet anhängare av unified grid-teorin.

Det var inte förrän 1951 som J. Pople skapade en kontinuerlig rutnätsmodell, som inte var lika specifik som Bernal Fowlers modell. Pople föreställde sig vatten som ett slumpmässigt tetraedriskt nätverk, där bindningarna mellan molekylerna är krökta och har olika längd. Poples modell förklarar packningen av vatten under smältning genom böjning av bindningar. När de första definitionerna av strukturen av isarna II och IX dök upp på 60-70-talet blev det tydligt hur böjning av bindningar kan leda till packning av strukturen. Poples modell kunde inte förklara vattenegenskapernas icke-monotona beroende av temperatur och tryck såväl som tvåtillståndsmodeller. Därför delades idén om två stater av många forskare under lång tid.

Men under andra hälften av 1900-talet var det omöjligt att fantisera om hydrolers sammansättning och struktur som de gjorde i början av seklet. Det var redan känt hur is och kristallina hydrater fungerar, och de visste mycket om vätebindning. Förutom kontinuummodeller (Poples modell) har två grupper av blandade modeller uppstått: kluster och klatrat. I den första gruppen dök vatten upp i form av kluster av molekyler sammankopplade med vätebindningar, som flöt i ett hav av molekyler som inte var involverade i sådana bindningar. Den andra gruppen av modeller behandlade vatten som ett kontinuerligt nätverk (vanligtvis kallat ramverk i detta sammanhang) av vätebindningar som innehöll tomrum; de innehåller molekyler som inte bildar bindningar med ramverkets molekyler. Det var inte svårt att välja egenskaperna och koncentrationerna för två mikrofaser av klustermodeller eller egenskaperna hos ramverket och fyllnadsgraden av dess tomrum av klatratmodeller för att förklara vattnets alla egenskaper, inklusive de berömda anomalierna.

Bland klustermodellerna var den mest slående modellen av G. Nemeti och H. Sheragi: Bilderna de föreslog, som visar kluster av bundna molekyler som flyter i ett hav av obundna molekyler, inkluderades i många monografier.

Den första modellen av klatrattypen föreslogs 1946 av O.Ya. Samoilov: i vatten bevaras ett nätverk av vätebindningar som liknar hexagonal is, vars håligheter är delvis fyllda med monomermolekyler. L. Pauling skapade 1959 ett annat alternativ, vilket antydde att grunden för strukturen kunde vara ett nätverk av bindningar som är inneboende i vissa kristallina hydrater.

Under andra hälften av 60-talet och början av 70-talet observerades en konvergens av alla dessa åsikter. Varianter av klustermodeller dök upp där molekyler i båda mikrofaserna är förbundna med vätebindningar. Förespråkare av klatratmodeller började erkänna bildandet av vätebindningar mellan tomrum och rammolekyler. Det vill säga, faktiskt, författarna till dessa modeller betraktar vatten som ett kontinuerligt nätverk av vätebindningar. Och vi pratar om hur heterogent detta rutnät är (till exempel i densitet). Idén om vatten som vätebundna kluster som flyter i ett hav av obundna vattenmolekyler upphörde i början av åttiotalet, när G. Stanley tillämpade perkolationsteorin, som beskriver vattens fasövergångar, till vatten modell.

1999, den berömda ryska vattenforskaren S.V. Zenin försvarade sin doktorsavhandling vid Institutet för medicinska och biologiska problem vid den ryska vetenskapsakademin om klusterteori, vilket var ett viktigt steg i utvecklingen av detta forskningsområde, vars komplexitet förstärks av det faktum att de befinner sig i skärningspunkten mellan tre vetenskaper: fysik, kemi och biologi. Baserat på data erhållna med tre fysikalisk-kemiska metoder: refraktometri (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), högpresterande vätskekromatografi (S.V. Zenin et al., 1998) och protonmagnetisk resonans (C S.V. Zenin, 1993) visade en geometrisk och modell av den huvudsakliga stabila strukturella bildningen av vattenmolekyler (strukturerat vatten), och sedan (S.V. Zenin, 2004) erhölls en bild av dessa strukturer med hjälp av ett kontrastfasmikroskop.

Vetenskapen har nu bevisat att särdragen hos vattens fysiska egenskaper och många kortlivade vätebindningar mellan närliggande väte- och syreatomer i en vattenmolekyl skapar gynnsamma möjligheter för bildandet av speciella associerade strukturer (kluster) som uppfattar, lagrar och överför en brett utbud av information.

Den strukturella enheten för sådant vatten är ett kluster som består av klatrater, vars natur bestäms av långväga Coulomb-krafter. Strukturen av klustren kodar för information om de interaktioner som ägde rum med dessa vattenmolekyler. I vattenkluster, på grund av interaktionen mellan kovalenta och vätebindningar mellan syreatomer och väteatomer, kan migration av en proton (H+) ske via en relämekanism, vilket leder till delokalisering av protonen i klustret.

Vatten, som består av många kluster av olika typer, bildar en hierarkisk rumslig flytande kristallstruktur som kan uppfatta och lagra enorma mängder information.

Figuren (V.L. Voeikov) visar diagram över flera enkla klusterstrukturer som ett exempel.

Några möjliga strukturer av vattenkluster

Fysiska fält av mycket olika karaktär kan vara informationsbärare. Sålunda har möjligheten till fjärrinformationsinteraktion mellan den flytande kristallina strukturen av vatten med föremål av olika natur med användning av elektromagnetiska, akustiska och andra fält etablerats. Det påverkande objektet kan också vara en person.

Vatten är en källa till ultrasvag och svag alternerande elektromagnetisk strålning. Den minst kaotiska elektromagnetiska strålningen skapas av strukturerat vatten. I det här fallet kan induktionen av ett motsvarande elektromagnetiskt fält inträffa, vilket förändrar biologiska objekts struktur- och informationsegenskaper.

På senare år har viktiga data erhållits om egenskaperna hos underkylt vatten. Att studera vatten vid låga temperaturer är mycket intressant, eftersom det kan underkylas mer än andra vätskor. Kristallisering av vatten börjar som regel på vissa inhomogeniteter antingen på kärlets väggar eller på flytande partiklar av fasta föroreningar. Därför är det inte lätt att hitta den temperatur vid vilken underkylt vatten spontant skulle kristallisera. Men forskare lyckades göra detta, och nu är temperaturen för den så kallade homogena kärnbildningen, när bildandet av iskristaller sker samtidigt i hela volymen, känd för tryck upp till 0,3 GPa, det vill säga täcker de områden där existensen av is II.

Från atmosfärstryck till gränsen som skiljer isarna I och II, sjunker denna temperatur från 231 till 180 K och ökar sedan något till 190 K. Under denna kritiska temperatur är flytande vatten i princip omöjligt.

Isstruktur (bilden till höger)

Det finns dock ett mysterium förknippat med denna temperatur. I mitten av åttiotalet upptäcktes en ny modifiering av amorf is - is med hög densitet, och detta hjälpte till att återuppliva idén om vatten som en blandning av två tillstånd. Inte kristallina strukturer, utan strukturer av amorf is med olika densiteter betraktades som prototyper. Detta koncept formulerades i den mest tydliga formen av E.G. Ponyatovsky och V.V. Sinitsin, som skrev 1999: "Vatten betraktas som en vanlig lösning av två komponenter, de lokala konfigurationerna i vilka motsvarar kortdistansordningen för modifieringar av amorf is .” Dessutom, genom att studera kortdistansordning i underkylt vatten vid högt tryck med hjälp av neutrondiffraktionsmetoder, kunde forskare hitta komponenter som motsvarar dessa strukturer.

En konsekvens av polymorfismen av amorf is har också lett till antaganden om separation av vatten i två oblandbara komponenter vid temperaturer under den hypotetiska lågtemperaturkritiska punkten. Tyvärr, enligt forskare, är denna temperatur vid ett tryck på 0,017 GPa 230 K under kärnbildningstemperaturen, så ingen har ännu kunnat observera skiktningen av flytande vatten. Således väckte återupplivandet av tvåstatsmodellen frågan om heterogeniteten i nätverket av vätebindningar i flytande vatten. Denna heterogenitet kan endast förstås med hjälp av datormodellering.

På tal om vattens kristallina struktur bör det noteras att 14 modifieringar av is är kända, varav de flesta inte finns i naturen, där vattenmolekyler både behåller sin individualitet och är förbundna med vätebindningar. Å andra sidan finns det många varianter av vätebindningsnätverket i klatrathydrater. Energierna i dessa nätverk (högtrycksisar och klatrathydrater) är inte mycket högre än energierna hos kubiska och hexagonala isar. Därför kan fragment av sådana strukturer också uppträda i flytande vatten. Det är möjligt att konstruera otaliga olika icke-periodiska fragment, vars molekyler har fyra närmaste grannar belägna ungefär vid tetraederns hörn, men deras struktur motsvarar inte strukturerna för kända modifieringar av is. Som många beräkningar har visat kommer interaktionsenergierna för molekyler i sådana fragment att ligga nära varandra, och det finns ingen anledning att säga att någon struktur ska råda i flytande vatten.

Strukturella studier av vatten kan studeras med olika metoder; protonmagnetisk resonansspektroskopi, infraröd spektroskopi, röntgendiffraktion etc. Till exempel har diffraktionen av röntgenstrålar och neutroner studerats många gånger. Dessa experiment kan dock inte ge detaljerad information om strukturen. Inhomogeniteter som skiljer sig i densitet kunde ses genom spridning av röntgenstrålar och neutroner i små vinklar, men sådana inhomogeniteter måste vara stora och bestå av hundratals vattenmolekyler. Det skulle vara möjligt att se dem genom att studera ljusets spridning. Vatten är dock en exceptionellt klar vätska. Det enda resultatet av diffraktionsexperiment är den radiella fördelningsfunktionen, det vill säga avståndet mellan atomerna av syre, väte och syre-väte. Det är tydligt från dem att det inte finns någon ordning på lång räckvidd i arrangemanget av vattenmolekyler. Dessa funktioner förfaller mycket snabbare för vatten än för de flesta andra vätskor. Till exempel ger fördelningen av avstånd mellan syreatomer vid temperaturer nära rumstemperatur endast tre maxima, vid 2,8, 4,5 och 6,7. Det första maximumet motsvarar avståndet till de närmaste grannarna, och dess värde är ungefär lika med längden på vätebindningen. Det andra maximumet är nära medellängden på en tetraederkant: kom ihåg att vattenmolekyler i hexagonal is är belägna längs hörnen på en tetraeder som beskrivs runt den centrala molekylen. Och det tredje maximumet, mycket svagt uttryckt, motsvarar avståndet till tredje och mer avlägsna grannar i vätgasnätverket. Detta maximum i sig är inte särskilt ljust, och det finns ingen anledning att prata om ytterligare toppar. Det har gjorts försök att få fram mer detaljerad information från dessa distributioner. Så 1969 hittade I.S. Andrianov och I.Z. Fisher avstånden upp till den åttonde grannen, medan den till den femte grannen visade sig vara 3 och till den sjätte 3,1. Detta gör det möjligt att få data om den avlägsna miljön för vattenmolekyler.

En annan metod för att studera strukturen - neutrondiffraktion på vattenkristaller - utförs på exakt samma sätt som röntgendiffraktion. Men på grund av det faktum att neutronspridningslängderna inte skiljer sig så mycket mellan olika atomer, blir den isomorfa substitutionsmetoden oacceptabel. I praktiken arbetar man oftast med en kristall vars molekylära struktur redan ungefärligen bestämts med andra metoder. Neutrondiffraktionsintensiteter mäts sedan för denna kristall. Baserat på dessa resultat utförs en Fouriertransform, under vilken de uppmätta neutronintensiteterna och faserna används, beräknade med hänsyn till icke-väteatomer, d.v.s. syreatomer, vars position i strukturmodellen är känd. Sedan, på Fourier-kartan som erhålls på detta sätt, representeras väte- och deuteriumatomerna med mycket större vikter än på elektrondensitetskartan, eftersom bidraget från dessa atomer till neutronspridningen är mycket stort. Med hjälp av denna täthetskarta kan du till exempel bestämma positionerna för väteatomer (negativ densitet) och deuterium (positiv densitet).

En variant av denna metod är möjlig, vilken består i att kristallen som bildas i vatten hålls i tungt vatten före mätningar. I det här fallet gör neutrondiffraktion det inte bara möjligt att bestämma var väteatomer finns, utan identifierar också de av dem som kan bytas ut mot deuterium, vilket är särskilt viktigt när man studerar isotoputbyte (H-D). Sådan information hjälper till att bekräfta att strukturen har upprättats korrekt.

Andra metoder gör det också möjligt att studera vattenmolekylers dynamik. Dessa är experiment på kvasi-elastisk neutronspridning, ultrasnabb IR-spektroskopi och studiet av vattendiffusion med hjälp av NMR eller märkta deuteriumatomer. NMR-spektroskopimetoden bygger på det faktum att kärnan i en väteatom har ett magnetiskt moment — spin — som interagerar med magnetiska fält, konstant och variabel. Från NMR-spektrumet kan man bedöma i vilken miljö dessa atomer och kärnor finns, och på så sätt få information om molekylens struktur.

Som ett resultat av experiment på kvasi-elastisk neutronspridning i vattenkristaller mättes den viktigaste parametern - självdiffusionskoefficienten vid olika tryck och temperaturer. För att bedöma självdiffusionskoefficienten från kvasielastisk neutronspridning är det nödvändigt att göra ett antagande om den molekylära rörelsens natur. Om de rör sig i enlighet med modellen av Ya.I. Frenkel (en berömd rysk teoretisk fysiker, författare till "Kinetic Theory of Liquids" - en klassisk bok översatt till många språk), även kallad "hopp-väntande" -modellen, då är tiden för fast liv (tiden mellan hopp) för en molekyl 3,2 pikosekunder. De senaste metoderna för femtosekundlaserspektroskopi har gjort det möjligt att uppskatta livslängden för en bruten vätebindning: det tar en proton 200 fs för att hitta en partner. Dessa är dock alla medelvärden. Det är möjligt att studera detaljerna i strukturen och naturen av vattenmolekylers rörelse endast med hjälp av datorsimulering, ibland kallat ett numeriskt experiment.

Så här ser vattnets struktur ut enligt resultaten av datormodellering (enligt doktor i kemivetenskap G.G. Malenkov). Den allmänna oordnade strukturen kan delas in i två typer av regioner (visas som mörka och ljusa bollar), som skiljer sig åt i sin struktur, till exempel i volymen av Voronoi-polyedern (a), graden av tetraedralitet i den omedelbara miljön ( b), värdet av potentiell energi (c), och även i närvaro av fyra vätebindningar i varje molekyl (d). Men dessa områden kommer bokstavligen inom ett ögonblick, efter några pikosekunder, att ändra sin plats.

Simuleringen utförs så här. Isstrukturen tas och värms tills den smälter. Sedan, efter en tid för vattnet att glömma sitt kristallina ursprung, tas ögonblickliga mikrofotografier.

För att analysera vattnets struktur väljs tre parametrar:
- graden av avvikelse av molekylens lokala miljö från hörnen på en vanlig tetraeder;
-potentiell energi hos molekyler;
-volymen av den så kallade Voronoi-polyedern.

För att konstruera denna polyeder, ta en kant från en given molekyl till den närmaste, dela den på mitten och rita ett plan genom denna punkt vinkelrätt mot kanten. Detta ger volymen per molekyl. Volymen av en polyeder är densitet, tetraedralitet är graden av förvrängning av vätebindningar, energi är graden av stabilitet för den molekylära konfigurationen. Molekyler med liknande värden för var och en av dessa parametrar tenderar att gruppera sig i separata kluster. Både lågdensitets- och högdensitetsregioner har olika energivärden, men de kan också ha samma energivärden. Experiment har visat att områden med olika strukturer, kluster uppstår spontant och spontant sönderfaller. Hela vattnets struktur är levande och förändras ständigt, och tiden under vilken dessa förändringar sker är mycket kort. Forskarna övervakade molekylernas rörelser och fann att de utförde oregelbundna vibrationer med en frekvens på cirka 0,5 ps och en amplitud på 1 ångström. Sällsynta långsamma hopp av ångström som varar i pikosekunder observerades också. I allmänhet kan en molekyl i 30 ps röra sig 8-10 ångström. Närmiljöns livslängd är också kort. Regioner som består av molekyler med liknande volymvärden i Voronoi-polyedern kan sönderfalla på 0,5 ps, eller så kan de leva i flera pikosekunder. Men fördelningen av vätebindningslivslängder är mycket stor. Men den här tiden överstiger inte 40 ps, ​​och medelvärdet är flera ps.

Avslutningsvis bör det understrykas att Teorin om vattnets klusterstruktur har många fallgropar. Till exempel antyder Zenin att det huvudsakliga strukturella elementet i vatten är ett kluster av 57 molekyler som bildas genom sammansmältning av fyra dodekaedrar. De har gemensamma ansikten, och deras centra bildar en vanlig tetraeder. Det har länge varit känt att vattenmolekyler kan lokaliseras vid hörn av en femkantig dodekaeder; En sådan dodekaeder är grunden för gashydrater. Därför finns det inget överraskande i antagandet om förekomsten av sådana strukturer i vatten, även om det redan har sagts att ingen specifik struktur kan vara dominerande och existera under lång tid. Det är därför konstigt att detta grundämne antas vara det huvudsakliga och att det innehåller exakt 57 molekyler. Från bollar kan man till exempel sätta ihop samma strukturer, som består av dodekaedrar som gränsar till varandra och innehåller 200 molekyler. Zenin hävdar att processen med tredimensionell polymerisation av vatten stannar vid 57 molekyler. Enligt hans mening bör det inte finnas större associerade. Men om så vore fallet, skulle hexagonala iskristaller, som innehåller ett stort antal molekyler sammanlänkade med vätebindningar, inte kunna fällas ut från vattenånga. Det är inte alls klart varför tillväxten av Zeninklustret stannade vid 57 molekyler. För att undvika motsägelser packar Zenin kluster i mer komplexa formationer – romboedrar – av nästan tusen molekyler, och de ursprungliga klustren bildar inte vätebindningar med varandra. Varför? Hur skiljer sig molekylerna på deras yta från de inuti? Enligt Zenin ger mönstret av hydroxylgrupper på ytan av romboeder minnet av vatten. Följaktligen är vattenmolekylerna i dessa stora komplex styvt fixerade, och komplexen i sig är fasta ämnen. Sådant vatten kommer inte att rinna, och dess smältpunkt, som är relaterad till molekylvikten, bör vara mycket hög.

Vilka egenskaper hos vatten förklarar Zenins modell? Eftersom modellen är baserad på tetraedriska strukturer kan den överensstämma mer eller mindre med röntgen- och neutrondiffraktionsdata. Det är dock osannolikt att modellen kan förklara minskningen i densitet under smältning, packningen av dodekaedrar är mindre tät än is. Men det är svårast att hålla med om en modell med dynamiska egenskaper - fluiditet, ett stort värde på självdiffusionskoefficienten, kort korrelation och dielektriska relaxationstider, som mäts i pikosekunder.

Ph.D. O.V. Mosin

Referenser:
G.G. Malenkov. Advances in Physical Chemistry, 2001
S.V.Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyaglov. Experimentellt bevis på förekomsten av vattenfraktioner. G. Homeopatisk medicin och akupunktur. 1997.No.2.P.42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov. Hydrofob modell av strukturen hos associerade vattenmolekyler. J. Physical Chemistry 1994. T. 68. Nr 4. P. 636-641.
S.V. Zenin Studie av vattnets struktur med hjälp av protonmagnetisk resonansmetoden. Dokl.RAN.1993.T.332.No.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. Naturen av hydrofob interaktion. Uppkomsten av orienteringsfält i vattenlösningar. J. Physical Chemistry, 1994. T. 68. Nr 3. P. 500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, G.B. Sergeev, Z.A. Shabarova. Studie av intramolekylära interaktioner i nukleotidamider med användning av NMR. Material från 2nd All-Union Conf. Genom dynamik Stereokemi. Odessa.1975.s.53.
S.V. Zenin. Vattnets strukturerade tillstånd som grund för att kontrollera beteendet och säkerheten hos levande system. Avhandling. Doktor i biologiska vetenskaper. State Scientific Center "Institutet för medicinska och biologiska problem" (SSC "IMBP"). Skyddad 1999. 05. 27. UDC 577.32:57.089.001.66.207 sid.
IN OCH. Slesarev. Forskningslägesrapport

Vattens egenskaper

Varför är vatten vatten?

Bland det stora utbudet av ämnen intar vatten med sina fysikaliska och kemiska egenskaper en mycket speciell, exceptionell plats. Och detta måste tas bokstavligt.

Nästan alla fysiska och kemiska egenskaper hos vatten är undantag i naturen. Det är verkligen det mest fantastiska ämnet i världen. Vatten är fantastiskt inte bara för molekylens olika isotopiska former och inte bara för de förhoppningar som är förknippade med det som en outtömlig energikälla för framtiden. Dessutom är den fantastisk för sina mycket vanliga egenskaper.

Hur är en vattenmolekyl uppbyggd?

Hur en vattenmolekyl är uppbyggd är nu känt mycket exakt. Det är byggt så här.

De relativa positionerna för kärnorna av väte- och syreatomer och avståndet mellan dem har studerats och mätts väl. Det visade sig att vattenmolekylen är olinjär. Tillsammans med atomernas elektronskal kan en vattenmolekyl, om man tittar på den "från sidan", avbildas så här:

det vill säga geometriskt kan det inbördes arrangemanget av laddningar i en molekyl avbildas som en enkel tetraeder. Alla vattenmolekyler med någon isotopsammansättning är byggda exakt likadant.

Hur många vattenmolekyler finns det i havet?

Ett. Och det här svaret är inte precis ett skämt. Självklart kan vem som helst, genom att titta i en uppslagsbok och ta reda på hur mycket vatten det finns i världshavet, enkelt räkna ut hur många H2O-molekyler det innehåller. Men ett sådant svar kommer inte att vara helt korrekt. Vatten är ett speciellt ämne. På grund av sin unika struktur interagerar enskilda molekyler med varandra. En speciell kemisk bindning uppstår på grund av det faktum att var och en av väteatomerna i en molekyl attraherar elektroner av syreatomer i angränsande molekyler. På grund av denna vätebindning blir varje vattenmolekyl ganska hårt bunden till fyra andra närliggande molekyler, precis som visas i diagrammet. Det är sant att detta diagram är för förenklat - det är platt, annars kan det inte avbildas i figuren. Låt oss föreställa oss en lite mer exakt bild. För att göra detta måste du ta hänsyn till att planet där vätebindningar finns (de indikeras med en prickad linje) i en vattenmolekyl är riktad vinkelrätt mot väteatomernas platsplan.

Alla individuella H2O-molekyler i vatten visar sig vara anslutna till ett enda kontinuerligt rumsligt nätverk – till en gigantisk molekyl. Därför är påståendet från vissa fysikaliska kemister att hela havet är en molekyl ganska berättigat. Men detta uttalande ska inte tas alltför bokstavligt. Även om alla vattenmolekyler i vatten är förbundna med varandra genom vätebindningar, befinner de sig samtidigt i en mycket komplex mobil jämvikt, vilket bevarar de individuella egenskaperna hos enskilda molekyler och bildar komplexa aggregat. Denna idé gäller inte bara vatten: en diamantbit är också en molekyl.

Hur är en ismolekyl uppbyggd?

Det finns inga speciella ismolekyler. Vattenmolekylerna är, på grund av sin anmärkningsvärda struktur, förbundna med varandra i en isbit så att var och en av dem är sammankopplade och omgivna av fyra andra molekyler. Detta leder till uppkomsten av en mycket lös isstruktur, där mycket ledig volym finns kvar. Den korrekta kristallina strukturen av is uttrycks i snöflingornas fantastiska nåd och skönheten i frostiga mönster på frusna fönsterrutor.

Hur byggs vattenmolekyler i vatten?

Tyvärr har denna mycket viktiga fråga ännu inte studerats tillräckligt. Strukturen av molekyler i flytande vatten är mycket komplex. När is smälter bevaras dess nätverksstruktur delvis i det resulterande vattnet. Molekylerna i smältvatten består av många enkla molekyler – aggregat som behåller isens egenskaper. När temperaturen stiger sönderfaller vissa av dem och deras storlekar blir mindre.

Ömsesidig attraktion leder till det faktum att medelstorleken av en komplex vattenmolekyl i flytande vatten avsevärt överstiger storleken på en enda vattenmolekyl. Denna extraordinära molekylära struktur av vatten bestämmer dess extraordinära fysikalisk-kemiska egenskaper.

Vilken densitet ska vattnet ha?

Är inte det en väldigt konstig fråga? Kom ihåg hur massenheten fastställdes - ett gram. Detta är massan av en kubikcentimeter vatten. Det betyder att det inte kan råda några tvivel om att vattentätheten bara bör vara vad den är. Kan det råda något tvivel om detta? Burk. Teoretiker har beräknat att om vatten inte behöll en lös, isliknande struktur i flytande tillstånd och dess molekyler var tätt packade, så skulle vattnets densitet vara mycket högre. Vid 25°C skulle det inte vara lika med 1,0, utan med 1,8 g/cm3.

Vid vilken temperatur ska vattnet koka?

Denna fråga är förstås också märklig. När allt kommer omkring kokar vatten vid hundra grader. Alla vet detta. Dessutom vet alla att det är kokpunkten för vatten vid normalt atmosfärstryck som valdes som en av referenspunkterna på temperaturskalan, konventionellt betecknad 100°C.

Men frågan ställs annorlunda: vid vilken temperatur ska vattnet koka? När allt kommer omkring är koktemperaturerna för olika ämnen inte slumpmässiga. De beror på positionen för de grundämnen som utgör deras molekyler i Mendeleevs periodiska system.

Om vi ​​jämför kemiska föreningar av olika grundämnen med samma sammansättning som tillhör samma grupp i det periodiska systemet, är det lätt att märka att ju lägre atomnummer ett grundämne har, desto lägre atomvikt, desto lägre kokpunkt. dess föreningar. Baserat på dess kemiska sammansättning kan vatten kallas en syrehydrid. H2Te, H2Se och H2S är kemiska analoger av vatten. Om du övervakar deras kokpunkter och jämför hur kokpunkterna för hydrider förändras i andra grupper i det periodiska systemet, så kan du ganska exakt bestämma kokpunkten för vilken hydrid som helst, precis som alla andra föreningar. Mendeleev själv kunde förutsäga egenskaperna hos kemiska föreningar av element som ännu inte upptäckts på detta sätt.

Om vi ​​bestämmer kokpunkten för syrehydrid genom dess position i det periodiska systemet, visar det sig att vatten bör koka vid -80 ° C. Följaktligen kokar vattnet ungefär hundra åttio grader högre , än det borde koka. Vattenkokpunkten - det här är dess vanligaste egenskap - visar sig vara extraordinär och överraskande.

Egenskaperna hos en kemisk förening beror på naturen hos de element som bildar den och därför på deras position i Mendeleevs periodiska system för kemiska element. Dessa grafer visar beroenden av kok- och smälttemperaturerna för väteföreningar i grupperna IV och VI i det periodiska systemet. Vatten är ett slående undantag. På grund av protonens mycket lilla radie är interaktionskrafterna mellan dess molekyler så stora att det är mycket svårt att separera dem, varför vatten kokar och smälter vid onormalt höga temperaturer.

Diagram A. Normalt beroende av kokpunkten för hydrider av grupp IV-element på deras position i det periodiska systemet.

Diagram B. Bland hydriderna av element i grupp VI har vatten onormala egenskaper: vatten ska koka vid minus 80 - minus 90 ° C, men det kokar vid plus 100 ° C.

Diagram B. Normalt beroende av smälttemperaturen för hydrider av grupp IV-element av deras position i det periodiska systemet.

Diagram D. Bland hydriderna av grupp VI-element bryter vatten mot ordningen: det ska smälta vid minus 100 ° C och istappar smälta vid 0 ° C.

Vid vilken temperatur fryser vattnet?

Är det inte sant att frågan inte är mindre märklig än de tidigare? Tja, vem vet inte att vatten fryser vid noll grader? Detta är termometerns andra referenspunkt. Detta är den vanligaste egenskapen hos vatten. Men även i detta fall kan man fråga sig: vid vilken temperatur ska vattnet frysa i enlighet med dess kemiska natur? Det visar sig att syrehydrid, baserat på dess position i det periodiska systemet, borde ha stelnat vid hundra minusgrader.

Hur många flytande tillstånd av vatten finns det?

Denna fråga är inte så lätt att besvara. Naturligtvis finns det också en sak - det flytande vattnet vi alla känner till. Men flytande vatten har sådana extraordinära egenskaper att man måste undra om en sådan enkel, till synes icke-provocerande

ingen tvekan om svaret? Vatten är det enda ämne i världen som efter smältning först drar ihop sig och sedan börjar expandera när temperaturen stiger. Vid cirka 4°C har vattnet sin högsta densitet. Denna sällsynta anomali i vattnets egenskaper förklaras av det faktum att flytande vatten i verkligheten är en komplex lösning av en helt ovanlig sammansättning: det är en lösning av vatten i vatten.

När isen smälter bildas först stora, komplexa vattenmolekyler. De behåller rester av isens lösa kristallina struktur och löses i vanligt lågmolekylärt vatten. Därför är vattnets densitet till en början låg, men när temperaturen ökar bryts dessa stora molekyler ner och så ökar vattnets densitet tills den normala termiska expansionen tar vid, varvid vattnets densitet sjunker igen. Om detta är sant är flera vattentillstånd möjliga, men ingen vet hur man separerar dem. Och det är fortfarande okänt om detta någonsin kommer att bli möjligt. Denna extraordinära egenskap hos vattnet är av stor betydelse för livet. I reservoarer, innan vintern börjar, sjunker kylvattnet gradvis tills temperaturen i hela reservoaren når 4°C. Med ytterligare kylning stannar det kallare vattnet på toppen och all blandning stoppas. Som ett resultat skapas en extraordinär situation: ett tunt lager kallt vatten blir som en "varm filt" för alla invånare i undervattensvärlden. Vid 4°C mår de helt klart ganska bra.

Vad ska vara lättare - vatten eller is?

Vem vet inte detta... Is flyter ju på vatten. Jätte isberg flyter i havet. Sjöar på vintern är täckta med ett flytande kontinuerligt lager av is. Naturligtvis är is lättare än vatten.

Men varför "såklart"? Är det så tydligt? Tvärtom ökar volymen av alla fasta ämnen under smältning, och de drunknar i sin egen smälta. Men is flyter i vatten. Denna egenskap hos vatten är en anomali i naturen, ett undantag och dessutom ett helt anmärkningsvärt undantag.

De positiva laddningarna i en vattenmolekyl är associerade med väteatomer. De negativa laddningarna är valenselektronerna för syre. Deras relativa arrangemang i en vattenmolekyl kan avbildas som en enkel tetraeder.

Låt oss försöka föreställa oss hur världen skulle se ut om vatten hade normala egenskaper och is var, som alla normala ämnen borde vara, tätare än flytande vatten. På vintern skulle tätare is som fryser uppifrån sjunka ner i vattnet och kontinuerligt sjunka till botten av reservoaren. På sommaren kunde isen, skyddad av ett lager kallt vatten, inte smälta. Gradvis skulle alla sjöar, dammar, floder, bäckar frysa helt och förvandlas till gigantiska isblock. Till slut skulle haven frysa, följt av haven. Vår vackra, blommande gröna värld skulle bli en kontinuerlig isig öken, täckt här och där med ett tunt lager av smältvatten.

Hur många isar finns det?

I naturen på vår jord finns det bara en: vanlig is. Is är en sten med extraordinära egenskaper. Den är fast, men flyter som en vätska, och det finns enorma floder av is som sakta rinner ner från de höga bergen. Is är föränderlig - den försvinner hela tiden och bildas igen. Is är ovanligt stark och hållbar - i tiotusentals år bevarar den utan förändringar kropparna av mammutar som av misstag dog i glaciärsprickor. I sina laboratorier lyckades människan upptäcka ytterligare minst sex olika, inte mindre fantastiska isar. De kan inte hittas i naturen. De kan bara existera vid mycket höga tryck. Vanlig is bevaras upp till ett tryck på 208 MPa (megapascal), men vid detta tryck smälter den vid -22 °C. Om trycket är högre än 208 MPa uppstår tät is - is-III. Det är tyngre än vatten och sjunker i det. Vid lägre temperatur och högre tryck - upp till 300 MPa - bildas ännu tätare is-P. Tryck över 500 MPa förvandlar is till is-V. Denna is kan värmas upp till nästan 0 ° C, och den kommer inte att smälta, även om den är under enormt tryck. Vid ett tryck på cirka 2 GPa (gigapascal) uppträder is-VI. Detta är bokstavligen varm is - den tål temperaturer på 80° C utan att smälta. Ice-VII, som finns vid 3GP-tryck, kan kanske kallas het is. Detta är den tätaste och mest eldfasta isen man känner till. Den smälter bara vid 190° över noll.

Ice-VII har en ovanligt hög hårdhet. Denna is kan till och med orsaka plötsliga katastrofer. De lager i vilka axlarna på kraftfulla kraftverksturbiner roterar utvecklar ett enormt tryck. Om även lite vatten kommer in i fettet kommer det att frysa fast lagrets temperatur är mycket hög. De resulterande is-VII-partiklarna, som har enorm hårdhet, kommer att börja förstöra axeln och lagret och snabbt få dem att misslyckas.

Kanske finns det is i rymden också?

Som om det finns, och samtidigt väldigt konstigt. Men forskare på jorden upptäckte det, även om sådan is inte kan existera på vår planet. Tätheten av all för närvarande känd is, även vid mycket höga tryck, överstiger endast mycket lite 1 g/cm3. Tätheten av de sexkantiga och kubiska modifieringarna av is vid mycket låga tryck och temperaturer, även nära absolut noll, är något mindre än enhet. Deras densitet är 0,94 g/cm3.

Men det visade sig att i ett vakuum, vid försumbara tryck och vid temperaturer under -170 ° C, under förhållanden när isbildningen inträffar när den kondenserar från ånga på en kyld fast yta, uppstår helt fantastisk is. Dess densitet är... 2,3 g/cm3. All is känd hittills är kristallin, men denna nya is är tydligen amorf, kännetecknad av ett slumpmässigt relativt arrangemang av individuella vattenmolekyler; Den har ingen specifik kristallstruktur. Av denna anledning kallas det ibland glasis. Forskare är övertygade om att denna fantastiska is måste uppstå under rymdförhållanden och spela en stor roll i planeternas och kometernas fysik. Upptäckten av sådan supertät is var oväntad för fysiker.

Vad krävs för att isen ska smälta?

Mycket värme. Mycket mer än det skulle ta för att smälta samma mängd av något annat ämne. Det exceptionellt höga specifika smältvärmet -80 cal (335 J) per gram is är också en onormal egenskap hos vatten. När vattnet fryser frigörs samma mängd värme igen.

När vintern kommer bildas is, snö faller och vatten ger tillbaka värme, värmer marken och luften. De står emot kylan och mjukar upp övergången till hård vinter. Tack vare denna underbara egenskap av vatten finns höst och vår på vår planet.

Hur mycket värme behövs för att värma vatten?

Så många. Mer än det krävs för att värma en lika stor mängd av något annat ämne. Det krävs en kalori (4,2 J) för att värma ett gram vatten en grad. Detta är mer än dubbelt så mycket värmekapacitet för någon kemisk förening.

Vatten är ett ämne som är extraordinärt i sina mest vanliga egenskaper för oss. Naturligtvis är denna förmåga av vatten mycket viktig inte bara när du lagar middag i köket. Vatten är den stora fördelaren av värme över hela jorden. Uppvärmd av solen under ekvatorn överför den värme i världshavet med gigantiska strömmar av havsströmmar till de avlägsna polarområdena, där liv är möjligt endast tack vare denna fantastiska egenskap av vatten.

Varför är vattnet i havet salt?

Detta är kanske en av de viktigaste konsekvenserna av en av vattnets mest fantastiska egenskaper. I sin molekyl är centra för positiva och negativa laddningar starkt förskjutna i förhållande till varandra. Därför har vatten ett exceptionellt högt, anomalt värde på dielektricitetskonstanten. För vatten, e = 80, och för luft och vakuum, e = 1. Detta betyder att två motsatta laddningar i vatten ömsesidigt attraheras till varandra med en kraft som är 80 gånger mindre än i luft. När allt kommer omkring, enligt Coulombs lag:

Men fortfarande, intermolekylära bindningar i alla kroppar, som bestämmer kroppens styrka, orsakas av interaktionen mellan de positiva laddningarna av atomkärnor och negativa elektroner. På ytan av en kropp nedsänkt i vatten försvagas krafterna som verkar mellan molekyler eller atomer under påverkan av vatten med nästan hundra gånger. Om den kvarvarande bindningsstyrkan mellan molekyler blir otillräcklig för att motstå effekterna av termisk rörelse, börjar molekyler eller atomer i kroppen att bryta sig loss från dess yta och passera in i vatten. Kroppen börjar lösas upp och bryts upp antingen i enskilda molekyler, som socker i ett glas te, eller till laddade partiklar - joner, som bordssalt.

Det är tack vare dess onormalt höga dielektricitetskonstant som vatten är ett av de mest kraftfulla lösningsmedlen. Den är till och med kapabel att lösa upp vilken sten som helst på jordens yta. Långsamt och oundvikligt förstör det även graniter och läcker ut lättlösliga komponenter från dem.

Bäckar, floder och floder bär föroreningar lösta i vatten ut i havet. Vattnet från havet avdunstar och återvänder till jorden igen för att fortsätta sitt eviga arbete om och om igen. Och lösta salter finns kvar i haven och oceanerna.

Tro inte att vatten löser sig och för ut i havet bara det som är lättlösligt, och att havsvatten bara innehåller vanligt salt som står på middagsbordet. Nej, havsvatten innehåller nästan alla grundämnen som finns i naturen. Den innehåller magnesium, kalcium, svavel, brom, jod och fluor. Järn, koppar, nickel, tenn, uran, kobolt, även silver och guld hittades i den i mindre mängder. Kemister hittade över sextio grundämnen i havsvatten. Förmodligen kommer alla andra att hittas också. Det mesta av saltet i havsvatten är bordssalt. Det är därför vattnet i havet är salt.

Är det möjligt att springa på vattenytan?

Burk. För att se detta, titta på ytan av en damm eller sjö på sommaren. Många levande och snabba människor går inte bara på vatten, utan springer också. Om vi ​​anser att stödytan på benen på dessa insekter är mycket liten, så är det inte svårt att förstå att vattenytan trots deras låga vikt kan motstå betydande tryck utan att bryta igenom.

Kan vatten rinna uppåt?

Ja Kanske. Detta händer hela tiden och överallt. Vattnet själv stiger upp i jorden och väter hela jordens tjocklek från grundvattennivån. Själva vattnet stiger upp genom trädets kapillärkärl och hjälper växten att leverera lösta näringsämnen till stora höjder – från rötterna djupt gömda i marken till bladen och frukterna. Vattnet i sig rör sig uppåt i läskpapprets porer när du ska torka en fläck, eller i tyget på en handduk när du torkar ansiktet. I mycket tunna rör - i kapillärer - kan vatten stiga till flera meters höjd.

Vad förklarar detta?

En annan anmärkningsvärd egenskap hos vatten är dess exceptionellt höga ytspänning. Vattenmolekyler på sin yta upplever krafterna av intermolekylär attraktion endast på ena sidan, och i vatten är denna interaktion onormalt stark. Därför dras varje molekyl på dess yta in i vätskan. Som ett resultat uppstår en kraft som drar åt vätskans yta.I vatten är den särskilt stark: dess ytspänning är 72 mN/m (millinewton per meter).

Kan vatten komma ihåg?

Denna fråga låter visserligen väldigt ovanlig, men den är ganska allvarlig och mycket viktig. Det handlar om ett stort fysikalisk-kemiskt problem, som till sin viktigaste del ännu inte är utrett. Denna fråga har just ställts inom vetenskapen, men den har ännu inte hittat något svar på den.

Frågan är: påverkar vattnets tidigare historia dess fysikaliska och kemiska egenskaper och är det möjligt att genom att studera vattnets egenskaper ta reda på vad som hände med det tidigare - att få vattnet i sig att "minna" och berätta om det . Ja, kanske, hur överraskande det än kan tyckas. Det enklaste sättet att förstå detta är med ett enkelt, men mycket intressant och extraordinärt exempel - minnet av is.

Is är trots allt vatten. När vatten avdunstar förändras den isotopiska sammansättningen av vatten och ånga. Lätt vatten avdunstar, om än i obetydlig utsträckning, snabbare än tungt vatten.

När naturligt vatten avdunstar ändras sammansättningen i isotophalten av inte bara deuterium, utan också tungt syre. Dessa förändringar i ångans isotopsammansättning har studerats mycket väl, och deras beroende av temperatur har också studerats väl.

Nyligen utförde forskare ett anmärkningsvärt experiment. I Arktis, i tjockleken av en enorm glaciär på norra Grönland, sänktes ett borrhål och en gigantisk iskärna nästan en och en halv kilometer lång borrades och utvanns. De årliga lagren av växande is syntes tydligt på den. Längs kärnans hela längd utsattes dessa lager för isotopanalys och utifrån det relativa innehållet av tunga isotoper av väte och syre - deuterium och 18O - bestämdes bildningstemperaturerna för årliga islager i varje kärnsektion. Datumet för bildandet av det årliga lagret bestämdes genom direkt räkning. På så sätt återställdes klimatsituationen på jorden under ett årtusende. Vatten lyckades komma ihåg och registrera allt detta i de djupa lagren av Grönlandsglaciären.

Som ett resultat av isotopanalyser av islager, konstruerade forskare en klimatförändringskurva på jorden. Det visade sig att vår medeltemperatur är föremål för sekulära fluktuationer. Det var väldigt kallt på 1400-talet, i slutet av 1600-talet. och i början av 1800-talet. De hetaste åren var 1550 och 1930.

Vad är då mysteriet med vattnets "minne"?

Faktum är att vetenskapen under de senaste åren gradvis har samlat på sig många fantastiska och helt obegripliga fakta. Vissa av dem är väl etablerade, andra kräver kvantitativ tillförlitlig bekräftelse, och alla väntar fortfarande på att förklaras.

Till exempel vet ingen ännu vad som händer med vatten som strömmar genom ett starkt magnetfält. Teoretiska fysiker är helt säkra på att ingenting kan och inte kommer att hända med det, vilket förstärker deras övertygelse med helt tillförlitliga teoretiska beräkningar, av vilka det följer att efter magnetfältets upphörande bör vattnet omedelbart återgå till sitt tidigare tillstånd och förbli som det var . Och erfarenheten visar att det förändras och blir annorlunda.

Är det stor skillnad? Döm själv. Från vanligt vatten i en ångpanna avsätts lösta salter, som frigörs, i ett tätt och hårt, som en sten, lager på pannrörens väggar, och från magnetiserat vatten (som det nu kallas inom tekniken) faller de ut. i form av ett löst sediment suspenderat i vattnet. Det verkar som om skillnaden är liten. Men det beror på synvinkeln. Enligt arbetare vid termiska kraftverk är denna skillnad extremt betydande, eftersom magnetiserat vatten säkerställer normal och oavbruten drift av gigantiska kraftverk: väggarna i ångpannrören blir inte övervuxna, värmeöverföringen är högre och elproduktionen är högre. Magnetisk vattenrening har länge installerats vid många termiska stationer, men varken ingenjörer eller forskare vet hur och varför det fungerar. Dessutom har det observerats experimentellt att efter magnetisk behandling av vatten accelereras processerna för kristallisation, upplösning, adsorption i det, och vätningsförändringar... men i alla fall är effekterna små och svåra att reproducera.

Effekten av ett magnetfält på vatten (nödvändigtvis snabbt strömmande) varar i små bråkdelar av en sekund, men vattnet "kommer ihåg" detta i tiotals timmar. Varför är okänt. I denna fråga är praktiken långt före vetenskapen. När allt kommer omkring är det vidare okänt vad exakt magnetisk behandling påverkar - vatten eller föroreningarna som finns i det. Det finns inget som heter rent vatten.

"minnet" av vatten är inte begränsat till bevarandet av effekterna av magnetisk påverkan. Inom vetenskapen finns många fakta och observationer som gradvis ackumuleras, vilket visar att vatten verkar "minna" att det tidigare var fruset.

Smältvatten, som nyligen bildats genom att smälta en isbit, tycks också skilja sig från vattnet från vilket denna isbit bildades. I smältvatten gror frön snabbare och bättre, groddar utvecklas snabbare; vidare verkar kycklingar som får smältvatten växa och utvecklas snabbare. Förutom de fantastiska egenskaperna hos smältvatten, fastställda av biologer, är rent fysikaliska och kemiska skillnader också kända, till exempel skiljer sig smältvatten i viskositet och dielektricitetskonstant. Viskositeten hos smältvatten får sitt vanliga värde för vatten först 3-6 dagar efter smältning. Varför det är så (om det är så) vet ingen annan.

De flesta forskare kallar detta område av fenomen för det "strukturella minnet" av vatten, och tror att alla dessa konstiga manifestationer av påverkan av vattnets tidigare historia på dess egenskaper förklaras av förändringar i den fina strukturen i dess molekylära tillstånd. Kanske är det så, men... att nämna det betyder inte att förklara det. Det finns fortfarande ett viktigt problem inom vetenskapen: varför och hur vatten "minns" vad som hände med det.

Var kom vattnet ifrån på jorden?

Strömmar av kosmiska strålar - strömmar av partiklar med enorm energi - genomsyrar för alltid universum i alla riktningar. De flesta av dem innehåller protoner - kärnorna av väteatomer. I sin rörelse i rymden utsätts vår planet kontinuerligt för "protonbombardement". Genom att tränga in i de övre lagren av jordens atmosfär fångar protoner elektroner, förvandlas till väteatomer och reagerar omedelbart med syre för att bilda vatten. Beräkningar visar att varje år föds nästan ett och ett halvt ton sådant "kosmiskt" vatten i stratosfären. På höga höjder vid låga temperaturer är vattenångans elasticitet mycket liten och vattenmolekyler, som gradvis ackumuleras, kondenserar på kosmiska dammpartiklar och bildar mystiska nattlyssnande moln. Forskare föreslår att de består av små iskristaller som uppstod från sådant "kosmiskt" vatten. Beräkningar visade att vattnet som dök upp på jorden på detta sätt under hela dess historia skulle räcka precis för att föda alla hav på vår planet. Så kom vatten till jorden från rymden? Men...

Geokemister betraktar inte vatten som en himmelsk gäst. De är övertygade om att hon är av jordiskt ursprung. Stenarna som utgör jordens mantel, som ligger mellan jordens centrala kärna och jordskorpan, smälte på platser under påverkan av den ackumulerande värmen från radioaktivt sönderfall av isotoper. Av dessa släpptes flyktiga komponenter: kväve, klor, kol och svavelföreningar, och mest av allt vattenånga släpptes ut.

Hur mycket kunde alla vulkaner släppa ut under utbrott under hela vår planets existens?

Forskare har också beräknat detta. Det visade sig att sådant utbrott "geologiskt" vatten också skulle vara precis tillräckligt för att fylla alla hav.

I de centrala delarna av vår planet, som bildar dess kärna, finns det förmodligen inget vatten. Det är osannolikt att det skulle kunna finnas där. Vissa forskare tror att även om syre och väte finns där, så måste de, tillsammans med andra grundämnen, bilda nya för vetenskapen, okända metallliknande former av föreningar som har en hög densitet och är stabila vid de enorma trycken och temperaturerna som regerar i mitten av jordklotet.

Andra forskare är övertygade om att jordens kärna består av järn. Vad som egentligen inte är så långt ifrån oss, under våra fötter, på djup som överstiger 3 tusen km, vet ingen ännu, men det finns förmodligen inget vatten där.

Det mesta av vattnet i jordens inre finns i dess mantel - lager som ligger under jordskorpan och sträcker sig till ett djup av cirka 3 tusen km. Geologer tror att minst 13 miljarder kubikmeter är koncentrerade i manteln. km vatten.

Det översta lagret av jordskalet - jordskorpan - innehåller cirka 1,5 miljarder kubikmeter. km vatten. Nästan allt vatten i dessa lager är i bundet tillstånd - det är en del av stenar och mineraler och bildar hydrater. Du kan inte bada i detta vatten och du kan inte dricka det.

Hydrosfären, jordklotets vattenskal, bildas av ytterligare cirka 1,5 miljarder kubikmeter. km vatten. Nästan hela denna mängd finns i världshavet. Den upptar cirka 70% av hela jordens yta, dess yta är över 360 miljoner kvadratmeter. km. Från rymden ser vår planet inte alls ut som en jordglob, utan snarare som en vattenballong.

Havets genomsnittliga djup är cirka 4 km. Om vi ​​jämför detta "bottenlösa djup" med storleken på själva jordklotet, vars medeldiameter är lika med km, då måste vi tvärtom erkänna att vi bor på en våt planet, den är bara lite fuktad med vatten, och även då inte över hela ytan. Vattnet i haven och haven är salt - du kan inte dricka det.

Det finns väldigt lite vatten på land: bara cirka 90 miljoner kubikmeter. km. Av dessa mer än 60 miljoner kubikmeter. km är under jord, nästan allt är saltvatten. Cirka 25 miljoner kubikmeter. km fast vatten ligger i bergiga och glaciala områden, i Arktis, Grönland och Antarktis. Dessa vattenreserver på jordklotet är skyddade.

Alla sjöar, träsk, konstgjorda reservoarer och jord innehåller ytterligare 500 tusen kubikmeter. km vatten.

Vatten finns också i atmosfären. Det finns alltid mycket vattenånga i luften, även i de mest torra öknarna, där det inte finns en droppe vatten och det aldrig regnar. Dessutom svävar moln alltid över himlen, molnen samlas, det snöar, det regnar och dimma sprider sig över marken. Alla dessa vattenreserver i atmosfären har beräknats exakt: alla sammantaget uppgår till endast 14 tusen kubikmeter. km.

Och här kan vi gå vidare till den andra kategorin. Under ordet "is" Vi är vana vid att förstå vattens fastfastillstånd. Men förutom det är även andra ämnen föremål för frysning. Således kan is särskiljas genom den kemiska sammansättningen av det ursprungliga ämnet, till exempel koldioxid, ammoniak, metanis och andra.

För det tredje finns det kristallgitter (modifieringar) av vattenis, vars bildande bestäms av en termodynamisk faktor. Det är vad vi ska prata om lite i det här inlägget.

I artikeln Ice tittade vi på hur vattenstrukturen genomgår en omstrukturering med en förändring i dess aggregationstillstånd, och berörde den kristallina strukturen hos vanlig is. Tack vare själva vattenmolekylens inre struktur och vätebindningarna som förbinder alla molekyler till ett ordnat system, bildas ett hexagonalt (hexagonalt) kristallgitter av is. Molekylerna närmast varandra (ett centralt och fyra hörn) är arrangerade i form av en trihedrisk pyramid, eller tetraeder, som ligger till grund för den hexagonala kristallmodifieringen ( Figur 1).

Förresten, mäts avståndet mellan de minsta materiepartiklarna i nanometer (nm) eller ångström (uppkallad efter 1800-talets svenske fysiker Anders Jonas Ångström; betecknad med symbolen Å). 1 Å = 0,1 nm = 10−10 m.

Denna hexagonala struktur av vanlig is sträcker sig till hela dess volym. Du kan tydligt se detta med blotta ögat: under snöfall på vintern, fånga en snöflinga på ärmen eller handsken och titta närmare på dess form - den är sexstrålig eller sexkantig. Detta är typiskt för varje snöflinga, men inte en enda snöflinga upprepar någonsin en annan (mer om detta i vår artikel). Och även stora iskristaller med sin yttre form motsvarar den inre molekylstrukturen ( Fig.2).

Vi har redan sagt att övergången av ett ämne, i synnerhet vatten, från ett tillstånd till ett annat sker under vissa förhållanden. Normal is bildas vid temperaturer på 0°C och lägre och vid ett tryck på 1 atmosfär (normalvärde). Följaktligen, för uppkomsten av andra modifieringar av is, krävs en förändring av dessa värden, och i de flesta fall närvaron av låga temperaturer och högt tryck, där vätebindningsvinkeln förändras och hela kristallgittret rekonstrueras.

Varje modifiering av is tillhör ett specifikt system - en grupp kristaller där enhetscellerna har samma symmetri och koordinatsystem (XYZ-axlar). Totalt urskiljs sju syngonier. Egenskaperna för var och en av dem presenteras på illustrationer 3-4. Och precis nedanför är en bild av huvudformerna av kristaller ( Fig.5)

Alla modifieringar av is som skiljer sig från vanlig is erhölls under laboratorieförhållanden. De första polymorfa strukturerna av is blev kända i början av 1900-talet genom ansträngningar från forskare Gustav Heinrich Tammann Och Percy Williams Bridgman. Bridgmans diagram över ändringar kompletterades med jämna mellanrum. Nya modifieringar identifierades från de som erhölls tidigare. De senaste ändringarna i diagrammet gjordes i vår tid. Hittills har sexton kristallina typer av is erhållits. Varje typ har sitt eget namn och betecknas med en romersk siffra.

Vi kommer inte att gräva djupt in i de fysiska egenskaperna hos varje molekylär typ av vattenis, för att inte tråka ut er, kära läsare, med vetenskapliga detaljer; vi kommer bara att notera de viktigaste parametrarna.

Vanlig is kallas is Ih (prefixet "h" betyder hexagonalt system). På illustrationer 7 dess kristallstruktur presenteras, bestående av hexagonala bindningar (hexamerer), som skiljer sig i form - en i formen solstol(Engelsk) stol-form), en annan i formen torn (båtform). Dessa hexamerer bildar en tredimensionell sektion - två "schäslonger" är horisontella upptill och nedtill, och tre "båtar" intar en vertikal position.

Det rumsliga diagrammet visar ordningen i arrangemanget av isens vätebindningar Ih, men i verkligheten byggs kopplingarna slumpmässigt. Forskare utesluter dock inte att vätebindningar på ytan av hexagonal is är mer ordnade än inuti strukturen.

Enhetscellen av hexagonal is (d.v.s. den minsta volymen av en kristall, vars upprepade reproduktion i tre dimensioner bildar hela kristallgittret som helhet) inkluderar 4 vattenmolekyler. Celldimensionerna är 4,51 Å på båda sidor a,b Och 7,35 Å på c-sidan (c-sidan eller -axeln i diagrammen har en vertikal riktning). Vinklarna mellan sidorna, sett från illustration 4: α=β = 90°, y = 120°. Avståndet mellan närliggande molekyler är 2,76 Å.

Hexagonala iskristaller bildar hexagonala plattor och kolonner; topp- och bottenytorna i dem är basplanen, och de sex identiska sidoytorna kallas prismatiska ( Fig. 10).

Det minsta antalet vattenmolekyler som krävs för att dess kristallisering ska börja är ungefär 275 (±25). I stor utsträckning sker isbildning på ytan av vattenmassan som gränsar till luften, snarare än inuti den. Grova iskristaller Ih bildas långsamt i riktning mot c-axeln, till exempel i stillastående vatten växer de vertikalt nedåt från de kristallina plattorna, eller under förhållanden där tillväxt åt sidan är svår. Finkornig is, bildad i turbulent vatten eller när den fryser snabbt, har accelererat tillväxten riktad från de prismatiska ytorna. Temperaturen på det omgivande vattnet bestämmer graden av förgrening av iskristallgittret.

Partiklar av ämnen lösta i vatten, med undantag av helium- och väteatomer, vars dimensioner tillåter dem att passa in i strukturens håligheter, utesluts från kristallgittret vid normalt atmosfärstryck, tvingas ut på kristallens yta eller , som i fallet med den amorfa sorten (mer om detta senare i artikeln) som bildar lager mellan mikrokristaller. På varandra följande cykler av frys- och tinvatten kan användas för att rena det från föroreningar, till exempel gaser (avgasning).

Tillsammans med is Ih det finns också is Ic (kubiskt system), men i naturen är bildandet av denna typ av is ibland endast möjligt i de övre lagren av atmosfären. Konstgjord is Ic erhålls genom att omedelbart frysa vatten, för vilket ånga kondenseras på en kyld 80 till minus 110°C metallyta vid normalt atmosfärstryck. Som ett resultat av experimentet faller kristaller av kubisk form eller i form av oktaedrar ut på ytan. Det kommer inte att vara möjligt att skapa kubisk is av den första modifieringen från vanlig hexagonal is genom att sänka dess temperatur, men övergången från kubisk till hexagonal är möjlig genom att värma isen Ic högre minus 80°C.

I isens molekylära struktur Ic vätebindningsvinkeln är densamma som för vanlig is Ih – 109,5°. Och här är en hexagonal ring bildad av molekyler i ett isgitter Ic endast närvarande i form av en schäslong.

Densiteten för is Ic är 0,92 g/cm³ vid ett tryck av 1 atm. Enhetscellen i en kubisk kristall har 8 molekyler och dimensioner: a=b=c = 6,35 Å, och dess vinklar α=β=γ = 90°.

På en lapp. Kära läsare, i den här artikeln kommer vi upprepade gånger att stöta på temperatur- och tryckindikatorer för en eller annan typ av is. Och om temperaturvärden uttryckta i grader Celsius är tydliga för alla, kan uppfattningen av tryckvärden vara svårt för vissa. Inom fysiken används olika enheter för att mäta det, men i vår artikel kommer vi att beteckna det i atmosfärer (atm), avrunda värdena. Normalt atmosfärstryck är 1 atm, vilket är lika med 760 mmHg, eller drygt 1 bar, eller 0,1 MPa (megapascal).

Som du förstår, i synnerhet från exemplet med is Ic, är förekomsten av kristallina modifieringar av is möjlig under förhållanden med termodynamisk jämvikt, dvs. när balansen mellan temperatur och tryck som bestämmer närvaron av någon kristallin typ av is störs, försvinner denna typ och förvandlas till en annan modifiering. Omfånget för dessa termodynamiska värden varierar; det är olika för varje art. Låt oss överväga andra typer av is, inte strikt i nomenklaturordning, utan i samband med dessa strukturella övergångar.

Is II tillhör det trigonala systemet. Den kan bildas av den hexagonala typen vid ett tryck på cirka 3 000 atm och en temperatur på cirka minus 75°C, eller från annan modifiering ( is V) genom att kraftigt reducera trycket vid en temperatur på minus 35°C. Existens II typ av is är möjlig under förhållanden med minus 170°C och tryck från 1 till 50 000 atm (eller 5 gigapascal (GPa)). Enligt forskare kan is av denna modifiering förmodligen vara en del av de iskalla satelliterna på de avlägsna planeterna i solsystemet. Normalt atmosfärstryck och temperaturer över minus 113°C skapar förutsättningar för denna typ av is att förvandlas till vanlig sexkantig is.

På illustrationer 13 iskristallgitter visas II. En karaktäristisk egenskap hos strukturen är synlig - ett slags ihåliga hexagonala kanaler bildade av molekylära bindningar. Enhetscellen (området markerat i illustrationen med en diamant) består av två ligament som är förskjutna i förhållande till varandra, så att säga, "i höjden". Som ett resultat bildas ett romboedriskt gittersystem. Celldimensioner a=b=c = 7,78 Å; a=p=y = 113,1°. Det finns 12 molekyler i en cell. Bindningsvinkeln mellan molekyler (O–O–O) varierar från 80 till 120°.

Vid uppvärmning modifiering II kan du få is III, och vice versa, iskylning III förvandlar det till is II. Även is III bildas när vattentemperaturen gradvis sänks till minus 23°C, vilket ökar trycket till 3 000 atm.
Som kan ses i fasdiagrammet ( sjuk. 6), termodynamiska förhållanden för ett stabilt tillstånd av is III, samt en annan modifikation - is V, är liten.

Is III Och V har fyra trippelpunkter med omgivande modifikationer (termodynamiska värden där förekomsten av olika materiatillstånd är möjlig). Däremot isen II, III Och V modifieringar kan förekomma under förhållanden med normalt atmosfärstryck och temperatur på minus 170°C, och uppvärmning av dem till minus 150°C leder till bildning av is Ic.

Jämfört med andra för närvarande kända högtrycksmodifieringar, is III har den lägsta densiteten - vid ett tryck på 3 500 atm. det är lika med 1,16 g/cm³.
Is IIIär en tetragonal variant av kristalliserat vatten, men själva isgitterstrukturen III har kränkningar. Om varje molekyl vanligtvis är omgiven av 4 angränsande, kommer i det här fallet denna indikator att ha ett värde på 3,2, och dessutom kan det finnas 2 eller 3 fler molekyler i närheten som inte har vätebindningar.
I rumsligt arrangemang bildar molekyler högerhänta helixar.
Dimensioner för en enhetscell med 12 molekyler vid minus 23°C och ca 2800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; a=p=y = 90°. Vätebindningsvinkeln sträcker sig från 87 till 141°.

På illustrationer 15 ett rumsligt diagram över isens molekylära struktur presenteras konventionellt III. Molekyler (blå prickar) som ligger närmare betraktaren visas större och vätebindningar (röda linjer) är motsvarande tjockare.

Och nu, som de säger, heta i hälarna, låt oss omedelbart "hoppa över" dem som kommer efter isen III i nomenklaturordning, kristallina modifikationer, och låt oss säga några ord om is IX.
Denna typ av is är väsentligen modifierad is III, utsatt för snabb djupkylning från minus 65 till minus 108 ° C för att undvika att omvandla den till is II. Is IX förblir stabil vid temperaturer under 133°C och tryck från 2 000 till 4 000 atm. Dess densitet och struktur är identiska III sinne, men till skillnad från is III i isstrukturen IX det finns ordning i arrangemanget av protoner.
Uppvärmning av is IX returnerar den inte till originalet III modifieringar, men förvandlas till is II. Celldimensioner: a=b = 6,69, c = 6,71 Å vid en temperatur av minus 108°C och 2800 atm.

Förresten, science fiction-författaren Kurt Vonneguts roman Cat's Cradle från 1963 är centrerad kring ett ämne som kallas is-nio, som beskrivs som ett konstgjort material som utgör en stor fara för liv eftersom vatten kristalliseras vid kontakt med det och förvandlas till is-nio. Inträdet av till och med en liten mängd av detta ämne i naturliga vatten som vetter mot världshaven hotar att frysa allt vatten på planeten, vilket i sin tur innebär döden för alla levande varelser. I slutändan är det vad som händer.

Is IVär en metastabil (svagt stabil) trigonal formation av ett kristallgitter. Dess existens är möjlig i isens fasutrymme III, V Och VIändringar. Få lite is IV kan tillverkas av amorf is med hög densitet genom att långsamt värma den, med start från minus 130°C vid ett konstant tryck på 8 000 atm.
Storleken på den romboedriska enhetscellen är 7,60 Å, vinklarna α=β=γ = 70,1°. Cellen inkluderar 16 molekyler; vätebindningar mellan molekyler är asymmetriska. Vid ett tryck på 1 atm och en temperatur på minus 163°C är densiteten för is IV 1,27 g/cm³. O–O–O bindningsvinkel: 88–128°.

likaså IV vilken typ av is som bildar is XII– genom att värma en högdensitets amorf modifikation (mer om detta nedan) från minus 196 till minus 90°C vid samma tryck på 8 000 atm, men med högre hastighet.
Is XIIäven metastabil i fasregionen V Och VI kristallina typer. Det är en typ av tetragonalt system.
Enhetscellen innehåller 12 molekyler, som på grund av vätebindningar med vinklar på 84–135° är placerade i kristallgittret och bildar en dubbel högerhänt helix. Cellen har dimensioner: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; vinklar α=β=γ = 90º. Isens densitet XII är 1,30 g/cm³ vid normalt atmosfärstryck och en temperatur på minus 146°C. Vätebindningsvinklar: 67–132°.

Av de för närvarande upptäckta modifieringarna av vattenis har is den mest komplexa kristallstrukturen V. 28 molekyler utgör dess enhetscell; vätebindningar spänner över luckor i andra molekylära föreningar, och vissa molekyler bildar bindningar endast med vissa föreningar. Vinkeln för vätebindningar mellan angränsande molekyler varierar mycket - från 86 till 132°, därför i kristallgittret av is V det är stark spänning och en enorm tillgång på energi.
Cellparametrar under förhållanden med normalt atmosfärstryck och temperatur minus 175°C: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; a=p = 90°, y = 109,2°.
Is Vär en monoklinisk variant som bildas genom att kyla vatten till minus 20°C vid ett tryck av cirka 5 000 atm. Kristallgittrets densitet, med hänsyn tagen till ett tryck på 3 500 atm, är 1,24 g/cm³.
Rumsdiagram av iskristallgittret V typ som visas i illustrationer 18. Området för kristallens enhetscell är markerat med en grå kontur.

Ordnat arrangemang av protoner i isens struktur V gör det till en annan sort som kallas is XIII. Denna monokliniska modifiering kan erhållas genom att kyla vatten under minus 143°C med tillsats av saltsyra (HCl) för att underlätta fasövergången, vilket skapar ett tryck på 5 000 atm. Reversibel övergång från XIII typ k V typ är möjlig i temperaturområdet från minus 193°C till minus 153°C.
Mått på isens enhetscell XIII något annorlunda från V modifieringar: a=9,24, b=7,47, c=10,30 Å; a=p = 90°, y= 109,7° (vid 1 atm, minus 193°С). Antalet molekyler i cellen är detsamma - 28. Vinkeln för vätebindningar: 82–135°.

I nästa del av vår artikel kommer vi att fortsätta vår granskning av modifieringar av vattenis.

Vi ses på sidorna i vår blogg!

Du kan också läsa andra artiklar:

Iskompositioner i form av julgranar

Isdekoration för trettondagsbad

Nyårs iskompositioner

Ice joystick Sony Playstation

Att arbeta med människor på is

Chivas Regal Ice Bar

Isdekoration för banketter

Isvägg i Manchester

Ismöbler Hongtao Zhou

Isrätter

Ice Castle i Minnesota

Microsoft Ice House

frusna bubblor

Icefang i Vail Valley

Isbjörnar åker skridskor på is

Valp och isbit

Isstad i Krasnogorsk

Isskulptur - Ängel

Konståkning på tunn is

Isskuggor

Isplattor

Måsen fångad i is

Fashionabla saker på is

Rymdis. Del två: kometer.